Machine a vapeur 2kW : des plans ?

[jacounet]

Salut.

Sur une construction amateur on peut avoir un alternateur avec 90% de rendement en 2 k Watts , pour le reste si on arrive à 50% sur la turbine et 50% sur la chaudière , on arriverait à 22.5 % de rendement global ...mieux que rien .

A+.

Jac .

 

[Dudulle]

Bonjour

Il faut faire attention avec la notion de "rendement" :
Le rendement d'une chaudière est le rapport entre l’énergie restituée et l'énergie apportée par le combustible. Ce rapport peut être exprimé sur le PCI ou le PCS. En principe une chaudière correcte a un rendement sur PCI d'au minimum 90%. La différence se perd sur les fumées, et sur la chaudière elle même (parois chaudes qui dissipent de la chaleur).

Le rendement d'une turbine est différent, il est plus pertinent de parler d'efficacité isentropique. En théorie une turbine est capable de convertir toute l’énergie comprise entre 2 états de la vapeur : A forte pression, éventuellement surchauffée en entrée et à faible pression saturée en sortie. Cette différence entre les 2 états est ce qui permet d'actionner la turbine, or une partie de cette énergie potentielle n'est pas utilisée de façon aussi "ordonnée" et se disperse en chocs chaotiques. Cette fraction correspond à une perte d'entropie, mais ce n'est pas véritablement une "perte" d’énergie, c’est simplement une part qui ne peut pas être récupérée. L'efficacité entropique d'une turbine dans sa plage de fonctionnement optimal est généralement de 90%.

Enfin le rendement d'un alternateur correct est de 95%.

90% x 90% x 95%, on devait se trouver à 77% de rendement global, alors qu'est ce qui explique cette différence ?

Il y a un dernier point qu'il faut comprendre : Lorsque l'on utilise de la vapeur, seule la détente (la diminution de pression) est utilisée.
Prenons l'exemple d'une chaudière qui produit de la vapeur à 5b absolu sans surchauffe pour faire tourner une petite machine à vapeur, avec les quantité d’énergie par kg d'eau (par convention on posera l’énergie à apporter négative, l’énergie récupérée positive) :

- On alimente en eau à 20°C, on la chauffe jusqu'à la température d'ébullition à 5b (152°C) : - 557 kJ
- On la vaporise : - 2107 kJ
- On utilise cette vapeur pour faire tourner la machine à vapeur, avec une pression finale de 1b absolu : 72 kJ.
On a utilisé 2664 kJ pour récupérer 72 kJ, soit un rendement de 2.7%, et ceci dans un cycle idéal sans pertes.

On reprend le même exemple, cette fois en surchauffant la vapeur jusqu'à 400°C :
- Il faut utiliser 493 kJ pour chauffer la vapeur
- La détente idéale jusqu'à 1b absolu permet de récupérer cette même quantité d’énergie, plus les 72kJ calculés plus haut.
Cette fois on atteint un rendement maximal de (493 + 72) / (557 + 2107) = 21%. Le reste de l'energie est dissipée aux petits oiseaux, ou sur un condenseur si on travaille en circuit fermé sur les condensats.

Comme on le voit ce qui pèse lourd dans la balance est l'energie à apporter pour effectuer le changement d'état liquide -> vapeur, et il n'est pas possible de s'en passer.
Il existe bien sur des subterfuges pour améliorer le rendement global, comme utiliser des échangeurs de chaleur, mais ça ne fera pas de miracles. La seule façon de réduire notablement la part de la vaporisation est de travailler à haute température et pression, car l’énergie de vaporisation tend vers 0 au fur et à mesure que l'on s'approche de la température critique (374°C soit 221 b), mais ce ne sot pas des conditions à la portée d'un amateur.

 

[jacounet]

Salut Dudulle.
Oui ce qui posera problème , au niveau du rendement global , c'est bien le rendement de la chaudière .
A+..
Jac .

 

[Dudulle]

Je ne voudrais pas me montrer désobligeant, mais j'ai l'impression d'avoir écrit ce pavé pour rien. Ce n'est pas le rendement de la chaudière qui pénalise l'ensemble ; il est assez facile d'obtenir un rendement correct sur cette seule étape, mais le cycle global.

 

[Popino]

Tout ça c'est bien beau, mais:
31 octobre 2009
JOURNAL OFFICIEL DE LA RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
Texte 3 sur 131
.
.
Décrets, arrêtés, circulaires
TEXTES GÉNÉRAUX
MINISTÈRE DE L’ÉCOLOGIE, DE L’ÉNERGIE, DU DÉVELOPPEMENT
DURABLE ET DE LA MER, EN CHARGE
DES TECHNOLOGIES VERTES ET DES NÉGOCIATIONS SUR LE CLIMAT
Arrêté du 15 septembre 2009 relatif à l’entretien annuel des chaudières
dont la puissance nominale est comprise entre 4 et 400 kilowatts
NOR :
DEVE0918467A
Le ministre d’Etat, ministre de l’écologie, de l’énergie, du développement durable et de la mer, en charge
des technologies vertes et des négociations sur le climat, la ministre de l’économie, de l’industrie et de
l’emploi, la ministre de la santé et des sports et le secrétaire d’Etat chargé du logement et de l’urbanisme,
Vu la directive 2002/91/CE du Parlement européen et du Conseil du 16 décembre 2002 sur la performance
énergétique des bâtiments, notamment son article 8 ;
Vu le code de l’environnement, notamment ses articles R. 224-18 et R. 224-41-9 ;
Vu la loi n
o
96-603 du 5 juillet 1996 relative au développement et à la promotion du commerce et de
l’artisanat, notamment son article 16 ;
Vu le décret n
o
2009-649 du 9 juin 2009 relatif à l’entretien annuel des chaudières dont la puissance
nominale est comprise entre 4 et 400 kilowatts,
Arrêtent :
Art. 1
er
.−
L’entretien annuel d’une chaudière dont la puissance nominale est comprise entre 4 et 400 kW
comporte la vérification de la chaudière, le cas échéant son nettoyage et son réglage, ainsi que la fourniture des
conseils nécessaires portant sur le bon usage de la chaudière en place, les améliorations possibles de l’ensemble
de l’installation de chauffage et l’intérêt éventuel du remplacement de celle-ci.
L’entretien est conforme aux spécifications techniques figurant à l’annexe 1 du présent arrêté.
Lors de la vérification de la chaudière, la personne ayant effectué l’entretien annuel de la chaudière évalue le
rendement et les émissions de polluants atmosphériques de la chaudière.
Pour évaluer le rendement de la chaudière, la personne ayant effectué l’entretien de la chaudière utilise la
méthode définie à l’annexe 2 du présent arrêté.
Pour évaluer les émissions de polluants atmosphériques de la chaudière, la personne ayant effectué
l’entretien de la chaudière utilise la méthode définie à l’annexe 3 du présent arrêté.
A l’issue de l’entretien de la chaudière, la personne l’ayant effectué fournit les conseils nécessaires portant
sur le bon usage de la chaudière en place, les améliorations possibles de l’ensemble de l’installation de
chauffage et l’intérêt éventuel du remplacement de celle-ci. L’annexe 4 du présent arrêt

 

[jacounet]

Bon les p'tits gars.
Oui bon c'est l'ensemble , la détente de la vapeur dans la turbine etc ...etc
On cause , on cause ...et rien de fait ....même pas un proto.

Après on verra le rendement global.

Ici on vise 2 k Watts depuis .........=====> 2012 .

A+.

Jac

 

[Popino]

Hélas ce texte réglementaire n'est qu'un échantillon. Bon vous visez 2KW CHAUDIÈRE donc un rendement final de ? 1KW ? 0.5 KW ?
Avant de se lancer...
A vous

 

[jacounet]

Salut.
Je pense que c'est 2 k Watts à l'alternateur , donc à la chaudière à peu près 10 fois plus .

Jac.

 

[MARECHE]

Bonjour,
Le but à viser reste la cogénération: la chaleur non transformée est donnée à une installation de chauffage au lieu d'être perdue au condenseur.
Salutation

 

[jacounet]

Salut Marecche.

Oui l'énergie perdue en chaleur peut servir au chauffage ..ça été dit dans ces 11 pages.
Mais si personne ne relève le défit ...on y sera encore pendant 12 ans.

Quelqu'un ayant l'idée de :
-transformer un insert 8 à 12 kWatts en chaudière tubulaire ...y-a du boulot..
-usiner une turbine 2 kWatts alu ou acier d' environ 20 cm de diamètre , au tour et à la fraiseuse CNC ...y-a du boulot...
-y mettre un alternateur 3 à 4 kWatts pour tenir 2 kWatts ...y-a aussi du boulot...
-le tout sous une forte pression pour un meilleurs rendement...dur à tenir pour l'amateur....mais faisable avec du boulot...
pourrait sortir sans toute un tel matériel .

Je pourrais , tu pourrais , il pourrait, nous pourrions, vous pourriez, ils pourraient .

A+.

Jac.

 

[roland88]

Bonjour a tous,
et si l'idée la plus folle...serait tout simplement de passer par un moteur alimenté par un gazogène
qui brûlerai tous ces résidus de jardin.....sachant qu'un vapeur a un rendement médiocre....

Roland88

 

[jacounet]

Salut Roland.

Si... si... une turbine et sa chaudière ont un bon rendement à température max , plus de 370°C et pression max plus de 220 Bars ….voir post 152 de Dudulle .
Maintenant dans ces conditions faut les matériaux résistants avec une épaisseur adéquate pour tenir les efforts ….
Ou alors se contenter de 20% de rendement , donc avec 80% de "pertes calorifiques"... mais à utiliser et récupérer pour le chauffage .

Un bon projet économique , un insert bois ou multi combustible 12 kW ,avec une turbine de 2 kW pour l'électricité , et les 10 kW restants pour le chauffage .

Messieurs les industriels à vos bureaux d'études , de méthodes , et moyens de productions ...!

A+

Jac

 

[Jeandominiquelaure61]

Bonsoir,

J'ai remarqué que ce sujet avait refait surface il y a quelques temps. Comme j'en comprends que vous êtes encore dans les cogitations, je vous propose de passer un moment à lire le document en pièce jointe ( *).

Je suis pas sûr que la réalisation d'un tel système soit à la portée de beaucoup d'entre nous ..

Bonne lecture

Jean-Claude

(*) Réf. du document : Gaëtan Riviere. Conception d’un micro-cogénérateur aux granulés de bois. Thermique [physics.classph]. Université de Lorraine, 2018. Français. ffNNT : 2018LORR0321ff. fftel-02130696f

 

[phil135]

une machine à vapeur "facile" c'est la conception de fin 19e /début 20e siècle, un peu actualisée. donc c'est entre 15 et 20% de rendement global (pas un calcul, un souvenir) et avec du charbon qui chauffe plus fort que du bois (mais moins que du pétrole quoique là ça serait un peu étrange comme choix)

 

[Remi C]

Salut à tous,

Je suis tombé par hasard sur cette conversation qui m'a l'air hautement intéressante !
Je suis moi même sur un projet de moteur à vapeur de puissance suffisante pour entrainer de petits équipements agricoles ou d'usinage. Je suis parti sur un vérin pneumatique de diamètre 100 si je me rappelle bien. Le piston est en caoutchouc et il serait idéalement à refaire en bronze quand j'aurai les moyens de tournage adéquat. En l'état, ça devrait me permettre de faire les premiers essais à l'air comprimé.
J'ai fait réaliser les autres pièces en découpe laser et je dois dire que les cotes admettent de monter les roulements à la presse sans même reprendre les alésages. J'ai conçu les pièces de manière à avoir un moteur à course légèrement longue (alésage x course = 100 x 125 ou 150 je me rappelle plus).
Ci-dessous quelques photos de l'état actuel du projet.

 

[roland88]

Bonsoir Remi C,
pour quelqu'un qui sait usiner, une machine a vapeur élémentaire n'est pas difficile...
Le " gros problème " pour une machine de cette taille, c'est la chaudière ...qui devra fournir...
Tant qu'on reste dans le petit modélisme, aucun problème...
Dans votre cas , c'est une autre histoire....
A+ Roland88.

 

[Remi C]

Salut Roland88,
En effet le facteur limitant va bien être la chaudière dans un premier temps, d'autant plus que j'ai prévu d'en faire une relativement rudimentaire pour commencer... on verra pour la suite !
L'avantage de la vapeur c'est quand meme de pouvoir accumuler de la pression et de la température dans la chaudière pour pouvoir faire fonctionner le moteur pendant un certain temps a charge élevée

Pour revenir aux précédents messages, je sais que le rendement du système sera pas bon mais si on peut coupler ça a un système de chauffage + production d'eau chaude, on peut arriver a quelque chose d'intéressant quand même ! Encore plus si on brûle des déchêts végétaux

 

[roland88]

La chaudière la plus performante au point de vu poids et encombrement est " a tubes d'eau "
Celle a tube de fumée est plus encombrante, mais serait peut-être plus adaptée a votre combustible ...a voir
Pas simple du tout ce choix...C'est pour cette raison que j'ai basculé il y a 2 ans sur la construction d'un moteur a gaz.
A+

 

[Dudulle]

Passer par biais d'une chaudière puis d'une machine a vapeur est compliqué parce qu'il faut gérer des hautes pressions si on veux un rendement correct
Si le but est de bruler de la biomasse une solution plus simple consiste à gazéifier la matière et alimenter le moteur à explosion d'un groupe électrogène.
Depuis mes derniers messages j'ai fais une petite feuille de calcul pour déterminer le rendement d'une machine à vapeur, je la posterai ici (le fichier est sur l'ordi du boulot)

 

[Remi C]

t'as raison le plus compact ca serait à tubes d'eau, en plus c'est plus réactif, mais d'après mes recherches ca nécessite quand meme un moyen assez efficace de réguler l'apport de combustible et si on veut utiliser du bois ça me semblait compliqué...
Par contre j'ai trouvé des architecture modernes de chaudières du type Babcock Wilcox avec une cuve a pression et des tubes d'eau qui, d'après ce que j'ai lu, sont assez efficaces !! Et j'avoue que ca me tente bien de partir la dessus, on doit pouvoir trouver une manière pas trop compliquée de raccorder ces tubes a une bouteille de gaz recyclée en cuve a pression, disons

 

[pbc74]

Bonsoir
Bravo pour la reprise du sujet et de travailler sur du concret
Avec tous mes encouragements
Je vais suivre avec interet

 

[Remi C]

D'ailleurs je vous ferai parvenir un schéma de ce que j'avais prévu pour la chaudière, j'aurais besoin de quelques tuyaux pour savoir comment connecter les tubes (j'avais pensé a des tubes en cuivre enroulés en spirale sous la cuve) a ma cuve (bouteille butane 13kg) en acier

 

[KITE]

j'aurais besoin de quelques tuyaux pour savoir comment connecter les tubes

J’aime beaucoup cette phrase !

 

[metal89]

La combustion du bois génère énormément de goudrons et de suies. Ces suies s'agglomèrent aux goudrons. Cela s'aggrave dès que l'humidité de la biomasse dépasse 15%. Par ailleurs il y a une grosse perte calorifique due à la vaporisation de l'eau contenue dans la biomasse. Il faut prévoir un sécheur. Ainsi En petites taille (40-60kW) la solution de tubes à eau devient vite une misère à nettoyer.

Quelques millimètres de suie et goudrons sur les tubes font chuter drastiquement le rendement d'échange qui n'est déjà pas très brillant sur ces petites chaudières. Comme c'est du stationnaire l'encombrement n'est pas un problème, donc une solution par tubes de fumées est meilleure en terme d'efficacité et de maintenance.Je pense qu'il faut prendre exemple sur les chaudières d'atelier qui étaient chose courantes vers la deuxième moitié du XIX ème siècle jusqu'au début du XXème siècle.
Exemple de chaudière https://ultimheat.com/s3-museum/1925 ca SIC chaudiere a vapeur 20111114.pdf Dans ces chaudières la part la plus importante (environ 60%) de la chaleur est transférée du foyer par rayonnement via le ciel de foyer et les pieds dans lequel l'eau circule. Cela implique d'avoir un feu de braises et non du flambant. Dans ces chaudières les tubes de fumée servent à récupérer la chaleur qui sinon serait perdue dans l'atmosphère. Pour un bon échange on admet couramment que la température des fumées au sortir de la chaudière doit être d'environ 180°-190°. En dessous on va condenser l'eau et les goudrons. C'est facile à mesurer avec un petit thermocouple (on en trouve sur aliexpress pour 30€ avec l'afficheur à deux voies)
La vapeur se stockant mal il y a une attention constante dans la conduite du feu surtout avec le bois. On a intérêt à surdimensionner la réserve d'eau, donc la hauteur pour amortir les variations dan la combustion.

 

[roland88]

Bonjour Remi C,
la construction vapeur, m'a appris a construire d'abord la chaudière, et ensuite a lui adapter la machine en fonction de la vapeur
produite...
A+

 

[Dudulle]

Voici la feuille de calcul. Je l'ai conçue à la base pour calculer la puissance que mon petit moteur à vapeur devrait produire en fonction de la pression de vapeur, ce qui explique que la vitesse rotation est calculée pour un seul piston simple effet, mais le calcul de rendement fonctionne quel que soit ce qu'on met derrière.
Il n'y a pas prise en compte du rendement de la machine, donc il s'agit d'un cas idéalisé.
On peut modifier les valeurs des cellules en jaune.

Si vous avez des questions n'hésitez pas.

 

[fredcoach]

La combustion du bois génère énormément de goudrons et de suies. Ces suies s'agglomèrent aux goudrons. Cela s'aggrave dès que l'humidité de la biomasse dépasse 15%. Par ailleurs il y a une grosse perte calorifique due à la vaporisation de l'eau contenue dans la biomasse. Il faut prévoir un sécheur. Ainsi En petites taille (40-60kW) la solution de tubes à eau devient vite une misère à nettoyer.

Quelques millimètres de suie et goudrons sur les tubes font chuter drastiquement le rendement d'échange qui n'est déjà pas très brillant sur ces petites chaudières. Comme c'est du stationnaire l'encombrement n'est pas un problème, donc une solution par tubes de fumées est meilleure en terme d'efficacité et de maintenance.Je pense qu'il faut prendre exemple sur les chaudières d'atelier qui étaient chose courantes vers la deuxième moitié du XIX ème siècle jusqu'au début du XXème siècle.
Exemple de chaudière https://ultimheat.com/s3-museum/1925 ca SIC chaudiere a vapeur 20111114.pdf Dans ces chaudières la part la plus importante (environ 60%) de la chaleur est transférée du foyer par rayonnement via le ciel de foyer et les pieds dans lequel l'eau circule. Cela implique d'avoir un feu de braises et non du flambant. Dans ces chaudières les tubes de fumée servent à récupérer la chaleur qui sinon serait perdue dans l'atmosphère. Pour un bon échange on admet couramment que la température des fumées au sortir de la chaudière doit être d'environ 180°-190°. En dessous on va condenser l'eau et les goudrons. C'est facile à mesurer avec un petit thermocouple (on en trouve sur aliexpress pour 30€ avec l'afficheur à deux voies)
La vapeur se stockant mal il y a une attention constante dans la conduite du feu surtout avec le bois. On a intérêt à surdimensionner la réserve d'eau, donc la hauteur pour amortir les variations dan la combustion.

Commentaires d'un non spécialiste:
Pour de petites puissances, la taille de la chaudière étant plus faible, l'avantage des tubes à eau est moins évident (tubes sous pression de plus faible diamètre). Par contre, nettoyer l'intérieur des tubes est beaucoup plus facile que nettoyer l'extérieur, donc les tubes à fumée prennent l'avantage. Il faut par contre utiliser de l'eau déminéralisée parce qu'enlever le calcaire entre les tubes...
D'un autre côté, une combustion complète, comme dans les poêles à granulés, génère très peu de goudrons tout en permettant un meilleur rendement.
La limitation de la température des fumées à 180 degrés minimum était due au risque de corrosion par les vapeus acides contenues dans la fumée. Les tuyaux modernes en inox permettent de descendre en-dessous de 100 degrés et donc de récupérer jusqu'à la chaleur latente de vaporisation de l'eau contenue dans les fumées.

 

[Dudulle]

Pour récupérer la chaleur latente de l'eau contenue dans les fumées il faut descendre bien en dessous de 100°C, ce qui n'est généralement pas applicable. Par exemple sur un poêle à pellet avec 10% d'O2 sur les fumées (valeur un peu basse) on commence à condenser en dessous de 40°C.
Pour limiter l'encrassement il faut effectuer la combustion en 2 étapes : Gazéification, puis combustion ; avec gazéification à co-courant pour craquer les goudrons.

 

[fredcoach]

Pour récupérer la chaleur latente de l'eau contenue dans les fumées il faut descendre bien en dessous de 100°C, ce qui n'est généralement pas applicable. Par exemple sur un poêle à pellet avec 10% d'O2 sur les fumées (valeur un peu basse) on commence à condenser en dessous de 40°C.
Pour limiter l'encrassement il faut effectuer la combustion en 2 étapes : Gazéification, puis combustion ; avec gazéification à co-courant pour craquer les goudrons.

En effet, la pression partielle de la vapeur d'eau dans la fumée est bien inférieure à une atmosphère, donc la température de condensation est bien inférieure à 100 degrés, je n'en avais pas tenu compte, merci Dudulle. C'est pourquoi on obtient des températures inférieures à 40 degrés en sortie des poêles à condensation.
Si tu peux donner quelques détails sur la combustion en deux étapes je pense que ça enrichira la discussion.

 

[Dudulle]

Il y a un schéma ici : http://biofuelsacademy.org/index.html?p=476.html

Avec une gazéification à contre courant : La chaleur de la combustion traverse le tas de bois, la température décroit au fur et à mesure , tout en décomposant le bois. Le taux de goudrons est important.
Avec une gazéification co courant : L'air traverse le bois puis sort par la zone de pyrolyse, qui est la plus chaude. Les goudrons sont décomposés, et il n'en reste presque pas sur la sortie gaz.
Le gaz produit entre ensuite dans la chambre de combustion secondaire, où l'on va trouver l'échangeur à eau.

En pièce jointe une capture d'écran de la composition des fumées, selon le schéma du gazogène :

Pour réguler ce type de chaudière :
Le débit d'air primaire fixe automatiquement le débit de gaz, donc la puissance.
Le débit d'air secondaire est régulée soit par une mesure d'O2 sur la fumée, soit par la température dans le foyer.
On peut aussi imposer un débit calculé, d'après le débit primaire.