Questions de base sur cette machine à vapeur

  • Auteur de la discussion Lachen
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S

SULREN

Compagnon
Bonjour,
@Lachen
J'ai pris le pouce à 25,4 mm (pouce anglais).
J'ai donc 154,44 cm3 de cylindrée.
J'ai pris les chevaux européens.
(Les chevaux fiscaux sont une "fioriture" à la française qui n'ont aucune validité en technique).
Jai pris la pression de 110 PSI (10,34 bars) comme une pression relative. Ce qui fait environ 11,34 bars abs pour la lecture des tables de la vapeur saturée).

Pour la puissance max j'ai pris la machine en admission totale, soit à pleine pression sur toute la course du piston, sans aucune détente (ce qui est un cas extrême jamais utilisé en marche normale).
J'ai considéré un piston à double effet avec la même surface de chaque côté ce qui maximise la puissance, parce qu'il faudrait tenir compte de la perte de poussée due à la section de la tige du piston.
Malgré cela je ne dépasse pas 2662 W soit 3,62 CV (Chevaux européens de 736 W ; j'ai arrondi le 735,5).
Mais j'ai pu faire une erreur de calcul.
Fais le calcul de ton côté dans les mêmes conditions, pour comparer.
 
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L

Lachen

Nouveau
SULREN a dit:
Bonjour,
@Lachen
J'ai pris le pouce à 25,4 mm (pouce anglais).
J'ai donc 154,44 cm3 de cylindrée.
J'ai pris les chevaux européens.
(Les chevaux fiscaux sont une "fioriture" à la française qui n'ont aucune validité en technique).
Jai pris la pression de 110 PSI (10,34 bars) comme une pression relative. Ce qui fait environ 11,34 bars abs pour la lecture des tables de la vapeur saturée).

Pour la puissance max j'ai pris la machine en admission totale, soit à pleine pression sur toute la course du piston, sans aucune détente (ce qui est un cas extrême jamais utilisé en marche normale). Malgré cela je ne dépasse pas 2662 W soit 3,62 CV (Chevaux européens de 736 W ; j'ai arrondi le 735,5).
Mais j'ai pu faire une erreur de calcul.
Fais le calcul de ton côté dans les mêmes conditions, pour comparer.
Cliquez pour agrandir...
D'accord, merci.
En fait j'aurais aimé te demander ta formule de calcul : il y a des formules sur internet, mais je ne sais pas comment prendre en compte la "détente" dans le calcul de la puissance.
Pour la machine vendue sur alibaba, il y a plusieurs modèles plus ou moins puissants.
Le problème sera plus le prix et de trouver une chaudière à 10 bars qui ne soit pas destinée à un usage de gros volume en usine.
 
L

Lachen

Nouveau
J'ai trouvé !
Le site alibaba propose plusieurs puissances de moteur, j'ai confondu les dimensions de moteur affiché à 2HP avec celui à 5HP ... ! :smt043

Les dimensions du moteur à 5HP sont les suivantes :
"Bore" (alésage ou diamètre du cylindre) : 3" = 7,6cm ==> rayon = 3,81cm
"Stroke" (longueur de la course) : 4" = 10,16cm.
Le volume du cylindre serait donc :
V = 3,14 x (3,81 x 3,81) x 10,16
V = 463 cm3.

Toutes mes excuses pour la perte de temps :cry:
 
S

SULREN

Compagnon
Lachen a dit:
j'ai confondu les dimensions de moteur affiché à 2HP avec celui à 5HP ... !
Cliquez pour agrandir...

Evidemment ça change tout!

Si cette machine tourne aussi à 500 tr/!n et est alimentée aussi à 110 PSI on arrive à presque 10 CV à admission maximale, qui je le rappelle n'est pas une situation normale.
A admission plus raisonnable de 70 à 80 % on atteint bien les 5 CV européens ...…..et même les chevaux anglais, les HP.
 
L

Lachen

Nouveau
Voilà, les caractéristiques affichées par le vendeur sur alibaba sont cohérentes.
Maintenant, comme l'a dit Roland88, le plus dur va peut-être être de trouver une chaudière à bois / charbon cohérente avec ce moteur.
En tout cas, merci pour toutes les réponses, de tout le monde et de SULREN en particulier, j'ai l'impression d'avoir dépassé un cap.
Merci encore.
 
L

Lachen

Nouveau
SULREN a dit:
[...]A admission plus raisonnable de 70 à 80 % on atteint bien les 5 CV européens[...]
Cliquez pour agrandir...
Je me permets encore une question : à quoi correspond 70% de détente d'une machine affichée à 10 bars ?
Est-ce que cela correspond à un fonctionnement à 7 bars ?
 
S

SULREN

Compagnon
Lachen a dit:
Je me permets encore une question : à quoi correspond 70% de détente d'une machine affichée à 10 bars ?
Est-ce que cela correspond à un fonctionnement à 7 bars ?
Cliquez pour agrandir...

Non.
Au point mort haut du cylindre l'orifice d'admission de vapeur par le tiroir (ou par la soupape) s'ouvre et la vapeur entre à pleine pression dans le cylindre.
La force quelle exerce est le produit de cette pression par la section du cylindre.
Pendant la descente du piston cette pression reste constante.
A un pourcentage donné de course du piston on décide de fermer l'arrivée de la vapeur, donc d'arrêter l'admission.
Ce pourcentage de course correspond au pourcentage d'admission.

A partir de ce moment là, la quantité de vapeur n'augmente plus dans le cylindre, mais le volume du cylindre continue lui d'augmenter puisque le piston continue sa course.
La vapeur commence à se détendre, sa pression baisse, mais elle pousse toujours sur le piston avec une force proportionnelle à cette pression.
La vapeur travaille pendant la détente.
Quand on arrive en bout de course cette pression est à son minimum, mais elle n'est pas nulle.
L'orifice d'échappement s'ouvre et cette pression résiduelle est perdue sans effectuer aucun travail. On a là une détente brutale de vapeur vers l'atmosphère, qui va aux "petits oiseaux", pas au vilebrequin. Perte de rendement.

D'où l'intérêt pour un bon rendement de ne pas pousser l'admission trop loin dans le cycle. Plus on l'arrête tôt, plus la vapeur se détend et moins on en perd à l'échappement. On a un meilleur rendement. Mais avec une faible admission on a moins de puissance.

On a donc eu au début du cycle un fonctionnement du piston à 10 bars, puis après arrêt de l'admission un fonctionnement du piston à une pression allant en décroissant.
C'est le diagramme de Carnot. Voir Wikipédia.
 
Dernière édition:
L

Lachen

Nouveau
D'accord, vos explications sont vraiment claires, vous maîtrisez votre sujet ! :)

J'imagine que ce réglage se fait seulement si la conception de la machine le permet, il n'est pas possible de fermer et d'ouvrir l'admission manuellement à chaque tour de cylindre.
J'imagine aussi que cela doit valoir le coup de modéliser le diagramme de Carnot de la machine en question sous excel.
 
D

Daniel13

Compagnon
L'ordre de grandeur du rendement (30%) me parait très optimiste. De (ma vieille) mémoire, les moteurs à combustion externe c'est plutôt de l'ordre de 5 à 10%.
 
D

Daniel13

Compagnon
http://www.cfchanteraines.fr/lvdc/lvdc0055/carnet02.htm
Rendement de la chaudière : 67% rendement thermique : 18% rendement du cycle : 60% rendement mécanique : 75%

Le rendement global maximum d’une locomotive telle que celles qui fonctionnent au C.F.C., à condition qu’elle soit entretenue et conduite dans les conditions optimales est donc d’environ :

0,67*0,18*0,60*0,75 =0,054

soit 5,4%

Sans commentaires…
 
M

mwm

Compagnon
Bonjour,
* Le moteur à vapeur quel qu'il soit , n'a pas un rendement extraordinaire, c'est connu,,
* Il a servi dans les premiers temps à soulager la main d'oeuvre manuelle, le rendement étant plus intéressant qu'un homme tournant à la manivelle,pour une pompe, ou un moulin à farine,,,
* Le gros soucis est une chaudière qui doit produire constamment en débit et pression un volume demandé et majoré des pertes....
* Le carburant? on en était au bois et au charbon, mais il y a le brûleur à gaz et à gasoil qui permet une montée en température plus rapide, pour la mise en service,,
* Bien se méfier du milieu où l'on va installer la chaudière, encore qu'il faille installer une cheminée,assez haute pour avoir un tirage suffisant et ne pas gêner les voisins par les odeurs de combustion...
* Un milieu poussiéreux et avec un mélange correct avec l'air est explosif , ( bois , ponçage , farine, poussières de grains dans les moulins etc) donc à éviter dans ces lieux,,,
* Recherchez un cours de mécanique sur les machines à vapeur du début du siècle dernier, Vous verrez que rien n'est au hasard,
* La machine à vapeur et les pompes ont été les 2 machines qui ont eu des recherches très poussées en leurs temps,,,
* On ne va pas dire que tout a été découvert, mais de nombreuses firmes calculaient tout pour la production d'énergie en vérifiant par exemple la combustion avec l'appareil de combustion Orsat pour avoir la combustion la plus économique( par le CO²),,,
A ++
 
L

Lachen

Nouveau
Bonsoir,

Dans le précédent calcul, il avait été pris "à la grosse" le rendement suivant:
30% rendement moteur x 80% rendement chaudière = 24%
De façon affinée, le rendement de 5,4% semble plus réaliste ou plus correct.

Le rapport 5,4% / 24% étant d'environ 1/5, les données seraient finalement les suivantes:
(sur la base théorique de 10 heures par jour, 5 jours par semaine, pour simplifier)
*10 kgs de charbon à l'heure, soit 500 kgs de charbon par semaine, ou
15 kgs de bois de chauffage à l'heure, soit 750 kgs de bois par semaine.
*5g/s d'eau soit 20 litres à l'heure, soit un mètre cube par semaine.
*3,5kwh.

Le prix du charbon est d'approximativement 300€ la tonne :
https://www.combustibles-piron.be/fr/charbons/#menu
Le bois de chauffage est d'approximativement 50€ la stère, soit 75€ la tonne.

Le coût du combustible serait donc d'environ 150€ (charbon) ou 60€ (bois) par semaine... ou 600€ (charbon) et 250€ (bois) par mois...

C'est moins compétitif que l'électricité, c'est sûrement pour cela que ces machines se font rares...
 
V

vax

Modérateur
Et si c'est une conception perso, il y a moyen de profiter de pas mal d'énergie résiduelle...
Chauffage central avec la vapeur détendue par exemple...
 
S

SULREN

Compagnon
Bonsoir,
Je vois que dans mon premier post j’ai écrit :
SULREN a dit:
Pression vapeur vers: 10,3 bars
Température vapeur saturée vers 186°C
Rendement théorique maximal du moteur (rendement de Carnot) : 0,36 soit 36%
Cliquez pour agrandir...

J’avais pourtant fait le calcul classique suivant :
La température de la source chaude Tc est 186°C, soit 186 + 273 = 459 ° K
La température de la source froide Tf est 100°C échappement cylindre, soit 100 +273 = 373° K
Le rendement théorique de Carnot est = (Tc –Tf) / Tc avec les températures exprimées en température par rapport au zéro absolu, soit en ° K.

Dont rendement théorique = (459 -373) / 459 = 0,187 = 18,7 %......et donc rendement réel bien plus bas bien sûr.

Je ne sais pas pourquoi j’ai écrit 36 % (il me semble que je n’avais pourtant pas fumé :7hus5:).
J’ai dû faire une fausse manip sur la calculette de mon téléphone mobile, qui a doublé le résultat ?

Comme j’ai pas mal bossé, il y a un demi siècle, pour les centrales thermiques EDF, j’ai bon nombre le manuels techniques d’EDF sur les centrales thermiques, dont celui intitulé :
« Service de la Production Thermique
Fascicule n°28
NOTIONS DE RENDEMENT ET DE CONSOMMATION D’UN BLOC DE PRODUCTION »​

Il y est dit que dans une centrale thermique classique, ancienne, de 125 MW:
- Le rendement théorique du cycle de Carnot est : 64 %
- Le rendement du cycle réel est de : 43 % (avec soutirage, réchauffage de l'eau, surchauffe, resurchauffe, etc, et on fonctionne avec condenseur, ce qui veut dire que la source froide est à 20°C, pas à 100°C).

Comme le signale @vax, dans le cas d’une machine à vapeur chez un particulier, à faible température de source chaude, fonctionnant sans cycle de surchauffe, ni resurchauffe, et sans condenseur, le seul moyen de sortir d’un rendement global ridicule c’est d’utiliser les calories perdues à l’échappement de la machine pour chauffer sa maison, sa serre, celle des voisins.

Si on achète le combustible mieux vaut abandonner de suite l’idée d’avoir sa propre machine à vapeur.
Même si on ne brûle que des déchets de tailles et du bois mort récupéré dans sa propre foret, l’opération n’est pas rentable car «time is money», et il faut beaucoup de temps pour aller chercher le bois mort, alimenter la chaudière, entretenir tout ce matériel, évacuer les cendres….
(je suis bien placé pour en parler , j'ai un terrain de 1,2 ha et 4 ha de forêt. Je préfère laisser une grande partie du bois pourrir sur place).
 
Dernière édition:
V

vax

Modérateur
4ha de forêt... Mon rêve ! (J'ai déjà presque la même taille de terrain que toi !). Je me chauffe uniquement par chauffage central au bois buche.

Pour revenir au sujet, je me demande si l'on obtient pas un meilleur rendement avec une turbine, certes, cela implique assez directement d'avoir un condenseur... C'est tout de suite plus complexe comme installation.

Nous n'avions pas de surchauffe sur sous marin nucléaire, mais au moins la chaudière ne consommait pas beaucoup de charbon !!!! :wink:
 
S

SULREN

Compagnon
Bonjour,

vax a dit:
4ha de forêt... Mon rêve !
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Pas vraiment un rêve quand c'est au milieu d'une centaine d'ha appartement à de multiples propriétaires, et que personne n'entretient rien du tout.

vax a dit:
Pour revenir au sujet, je me demande si l'on obtient pas un meilleur rendement avec une turbine, certes, cela implique assez directement d'avoir un condenseur
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Du point de vue du rendement théorique c'est la même chose qu'une machine à piston, cela dépend des températures de source chaude et de source froide.
Mais en pratique c'est bien meilleur, parce qu'on pousser la détente bien plus loin, que dans le cas des centrales on peut faire un soutirage de réchauffage de l'eau (un soutirage augmente le rendement du cycle de 1%), qu'on peut renvoyer la vapeur vers la resurchauffe, etc.
La plupart des turbines à vapeur utilisées dans les usines physico chimiques produisent de l'électricité sans avoir de condenseur. D'ailleurs il me semble que EDF avait obtenu de l'Etat que cela leur soit interdit, pour éviter la concurrence (peut être pas vrai aujourd'hui).
Ce sont donc des turbines dites "à contre pression" . Leur échappement de vapeur va dans le processus de l'usine (sucrerie, raffinerie, usine chimique, etc). Par exemple entrée vapeur à 90 bars, provenant de la chaudière, et sortie à 15 bars vers réseau vapeur usine.

A l'expo Le Grès, il y a deux semaines, il y avait un modèle réduit de chaudière à vaporisation instantanée et petite turbine à vapeur à un seul étage, tournant (à l'oreille) vers 6000 tr/mn.

Les turbines des centrales nucléaires ont un cycle à rendement inférieur à celui des centrales thermiques, parce que la vapeur produite est moins chaude.
 
Dernière édition:
L

Lachen

Nouveau
C'est agréable de vous lire :)
On sent que vous avez travaillé dans le domaine !

A ce stade, les données seraient donc les suivantes :
(sur la base théorique de 10 heures par jour, 5 jours par semaine, pour simplifier)
*15 kgs de bois de chauffage à l'heure, soit 750 kgs (60€) de bois par semaine.
*5g/s d'eau soit 20 litres à l'heure, soit un mètre cube par semaine.
*3,5kwh.

Personnellement, je trouve cela intéressant.
Voici l'installation à laquelle je pense :
1-Préchauffage de l'eau à 80°C dans un chaudron ouvert sur un "rocket stove" / "poële dragon" maçonné, en utilisant tous déchets végétaux.
2-Chauffage à 170°C / 10 bars dans une chaudière sans électricité.

Si c'est pour mettre une chaudière avec un tableau électrique, une pompe, etc. cela perd tout son sens, autant prendre un moteur électrique et un abonnement à EDF.
Pour l'instant, toutes les chaudières que j'ai vues sur alibaba et directindustry sont limitées à 7 bars, tout en consommant trop de bois.
N'hésitez pas à me transmettre des liens pour des chaudières, si vous en avez.
 
S

SULREN

Compagnon
Lachen a dit:
1-Préchauffage de l'eau à 80°C dans un chaudron ouvert sur un "rocket stove" / "poële dragon" maçonné, en utilisant tous déchets végétaux.
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Pourquoi réchauffer l'eau sur un "rocket stove"? (mais je ne sais pas ce que c'est).
Il faut réchauffer l'eau d'alimentation de la chaudière avec la vapeur et l'eau qui sortent de l'échappement du moteur à vapeur.
- Cela améliore sérieusement le rendement de tout le cycle (on veut y arriver aux 30% :mad:... et en tous cas être meilleur que la loco de vax ).
- Cela condense la vapeur et fait un apport d'eau "sans calcaire", de l'eau déminéralisée. (mais il faut retirer par décantation la graisse, "suif", apporté par le cylindre).
 
L

Lachen

Nouveau
Re-Bonjour, :)
SULREN a dit:
Pourquoi réchauffer l'eau sur un "rocket stove"? (mais je ne sais pas ce que c'est).[...]
Cliquez pour agrandir...
C'est un poële qui brûle les fumées après avoir brûlé le combustible. Il a en général une entrée pour l'air et une entrée pour le combustible. Cela nécessite une extraction haute pour le tirage. Cela fonctionne au moins en partie avec du petit bois, ou encore mieux avec un mélange petit bois / bois de chauffage. Le meilleur fonctionnement est je crois avec un mélange de 15% de résineux pour le départ et 85% de hetre / chene pour la suite.
Bref, c'est un poële astucieux pour particulier, pas un équipement industriel. :)
SULREN a dit:
[...]Il faut réchauffer l'eau d'alimentation de la chaudière avec la vapeur et l'eau qui sortent de l'échappement du moteur à vapeur.[...]
Cliquez pour agrandir...
Ca c'est bon pour un fonctionnement en continu. Moi j'envisage une installation "rustique" sans compresseur, sans pompe, en une seule chauffe initiale...
 
S

serge 91

Lexique
Bonjour,
Comme j'y connais rien, je pose la question,
Et un moteur Stirling, ça existe dans ces puissances ?
 
S

serge 91

Lexique
@Poere
Donc, le rapport puissance/encombrement semble avantageux,
Par ailleurs, il ne veut pas produire de l'électricité mais seulement un mouvement mécanique....
En tout cas, finalement beaucoup plus simple et performant (et sécurit) que la machine à vapeur.
Voir le coût, et trouver le fabriquant ?
 
S

serge 91

Lexique
Bonjour,
A propos du Stirling,
Il existe des chaudières de cogénération qui fournissent du "chauffage central" et de l'électricité.
Par l'intermédiaire d'un moteur Stirling, qui produit donc une puissance mécanique de 3,8 kw(ce qu'il te faut) à un alternateur qui produit 3,5 kw.
Ton probleme, c'est que tu n'a besoin ni de la partie chauffage(30 kw) ni de la partie alternateur !
Donc trouver le fabriquant du Stirling seul (peut être pièce détachée de la chaudière)...
 
L

Lachen

Nouveau
Bonsoir,
L'origine de cette discussion sur ce forum est que j'ai vu sur le site alibaba une machine à vapeur en vente, d'une puissance de 5 chevaux, pour environ 2 000 dollars...
A l'aide des sympathiques personnes qui ont bien voulu partager leurs connaissances sur ce forum, il est apparu que les caractéristiques de cette machine, telles qu'affichées par le vendeur, sont cohérentes...
SI vous avez un lien pour une chaudière en vente, avec le prix affiché, j'y jetterai un œil ... même si ce n'est pas vraiment ce que je recherche ...
Cordialement.
 
L

Lachen

Nouveau
serge 91 a dit:
[...] trouver le fabriquant du Stirling seul (peut être pièce détachée de la chaudière)...
Cliquez pour agrandir...
Bonjour, :)
Je viens de comprendre l'idée avec un peu de retard :oops:
Oui effectivement c'est une idée à creuser... Je pense ouvrir une discussion à part sur ce sujet.
Cordialement.
 
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