Calcul d'un ensemble vapeur pour "Der Seekadett"

Salut,

La construction de la Seekadett est terminée en version électrique et il faut donc maintenant, comme prévu, se pencher sur la conversion à la vapeur.

Contrairement à mes autres projets vapeur, je ne peux pas modifier et/ou ajuster la coque à une installation vapeur assemblée à partir de trucs plus ou moins standards du commerce. Il faut donc définir un ensemble vapeur « custom », en particulier la chaudière à cheminée centrale et inclinée, et la dimensionner au plus juste, le poids (dans une certaine mesure) mais surtout l’encombrement sous toiture et la longueur étant comptés.La chaudière sera un modèle ultra-classique, horizontale avec foyer interne et tubes bouilleurs transversaux

• Ca va demander quelques calculs avant d’en lancer le dessin et chercher le meilleur compromis. Je me suis vite aperçu que ces calculs, bien que pas très compliqués, étaient très répétitifs et au final fastidieux. Et je ne parle pas des concordances d’unités… Un petit tableur serait bien utile…

• J’étais impatient d’arriver au dessin final mais j’ai constaté que l’on ne pouvait pas sauter les étapes et que si l’on voulait obtenir une bonne adéquation (au moins sur le papier…) entre moteur, chaudière brûleur, autonomie, tank, etc… il fallait respecter une stricte méthodologie. En électrique, on dispose en général d’une telle réserve de puissance et d’énergie électrique que l’on ne s’embarrasse pas trop de considérations comme la vitesse à prévoir pour le bateau : On ajustera au bord du bassin pour avoir le bon look ! En vapeur c’est une donnée fondamentale qui régit tout le reste…
J’ai donc commencé par définir l’approche globale. La structure du tableur est résumée sur la vue ci-dessous :

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• Les « anciens » et les « vaporistes » chevronnés vont sûrement me dire « Te casses pas la tête avec tous ces calculs. Pour ton bateau mets un moteur de tant de cc et une chaudière de telle taille. Ils auraient probablement raison…. Mais, dans un souci d’optimisation, je voulais un peu mieux cerner l’influence du choix de certains paramètres sur le résultat final et vérifier certaines assertions.

• Je me suis donc replongé dans l’abondante documentation disponible concernant les machines à vapeur du plus simple à la plus compliquée en essayant de faire le tri entre ce qui est applicable à nos modèles et le reste. Une sorte de résumé ou de « digest »…

• Enfin, il y a dans tous ces calculs énormément de coefficients à choisir. Dans la vraie vie, ils étaient définis par des expériences et résumés dans des tables. A notre échelle, on ne peut pas adapter un tas de trucs comme la viscosité de l’eau, la rugosité d’une coque, l’influence relative des frottements dans un moteur, etc… Résultat, ces tables de coefficients sont à prendre avec beaucoup de précautions. Il est sans doute illusoire de vouloir trop détailler les calculs et lorsque cela paraissait raisonnable et justifié, je n’ai pas hésité à utiliser des formules simplifiées.

Voilà le projet ! Ce sont les différentes étapes de la construction du tableur que je vais développer dans ce fil de discussions en m’appuyant sur l’application à Der Seekadett. L’objectif est de bâtir un tableur sympa, facile à utiliser, résumant au mieux les infos disponibles, donnant au moins des ordres de grandeur raisonnables et permettant d’appréhender les conséquences pratiques de certains choix. Il pourrait aussi servir d’introduction à la « Vapeur » pour les débutants.


Je compte sur les commentaires et critiques des experts en la matière…Bien sûr, le tableur une fois finalisé sera dispo pour tous !

Merci d’avance.

Marcel.
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Excellent!
Ce genre de réflexions et d 'approches en chiffres nous seront précieux pour comprendre la logique du raisonnement et affiner les données de l'ensemble.
Mème si c'est pointu au premier abord, le forum et ses spécialistes est là pour aider et répondre.
(pour eux que ça intéresse, bien sûr).
Encore un beau document en perspective.
Bien cordialement.

C'est une bonne idée....

Je t'ai envoyé un petit MP des fois que!

A plus et bon courage car tous ces calculs.... BRRRRR j'ai froid dans le dos!

Z320 a écrit:
A plus et bon courage car tous ces calculs.... BRRRRR j'ai froid dans le dos!

Ben on verra... Mais le but du tableur c'est justement de faire oublier les calculs et de se concentrer sur le résultat et ses implications... Juste des cases à renseigner et du bon sens pour choisir les paramètres.
Et je promets de ne pas vous accabler de formules...

Salut,

C’est parti !...

La première chose à faire est de déterminer la vitesse adéquate de la maquette et d’en déduire un choix d’hélice et donc la vitesse de rotation du moteur.

Pour calculer la vitesse de la maquette, il y a plusieurs approches possibles :
- On garde la proportion entre la longueur du bateau et la vitesse : Méthode pas réaliste conduisant à des vitesses de maquettes très/trop basses. Ne sera pas exploitée.
- Formule classique basée sur les équivalences de Froude : Vm =Vréel/√(rapport d’échelle)
- Une approche basée sur la vitesse critique avec un coefficient d’économie : Vc = 1,25 x √(Ld) dans les unités standards. S’approcher de la vitesse critique ou passer au-dessus demande beaucoup de puissance pour de faibles gains de vitesse.
Pour plus de détails sur ces méthodes, vous pouvez relire le post :

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Dans la feuille de calcul, on va exploiter les deux dernières approches et on choisira la vitesse qui nous plaît bien.

• Première complication pour le Seekadett qui n’a jamais été construit : Il n’y a pas de données sur le « grandeur »… Donc partant de l’échelle et des dimensions de la maquette j’ai recalculé ce qui aurait été la longueur du réel. Et la seule approche possible de la vitesse est alors via la vitesse critique avec un facteur d’économie raisonnable disons 75%. J’en déduis que le « grandeur » aurait probablement navigué en croisière à 13km/h, soit environ 7nœuds. Ça paraît raisonnable…
Même traitement avec la maquette : L’approche via la formule standard donne 3,8km/h. Celle via la vitesse critique donne 5,1km/h ce qui avec un coefficient d’économie de 70% la ramène à 3,6km/h.
Bon, je pense que ce modèle assez majestueux n’appelle pas une haute vitesse et 3,6km/h me paraît pas mal : Vitesse d’un marcheur qui ne force pas trop… C’est donc celle -là que je choisis. On pourra toujours y revenir et vérifier l’influence de la vitesse sur l’ensemble de la machine.… L’avantage d’un tableur !

Voilà le premier bout de la page de calculs :

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• A partir de cette vitesse de navigation pour la maquette, il faut calculer la vitesse de rotation nécessaire de l’hélice. Elle dépend bien sûr du pas.
Mais au contraire d'un écrou sur un boulon, un tour d'hélice ne provoque pas l'avancement du bateau d'exactement la valeur du pas.  La résistance au déplacement dans l'eau de la coque provoque une diminution de l'avancement, diminution que l'on appelle "glissement de l'hélice". Et voilà donc le premier de ces coefficients pas très bien définis à notre échelle et qu’il nous faut choisir sur la base de sources et expériences diverses.
Le glissement, exprimé en pourcentage de l'avancement théorique, est fonction du type de coque (et aussi des caractéristiques de l’hélice, mais là on ne va pas pinailler…):
- Pour des coques peu profilées, de type remorqueur ou chalutier par exemple, le glissement serait de l'ordre de 30 à 40%.
- Pour des coques fines, bien profilées ou dites de vitesse, le glissement serait de l'ordre de 10 à 20%.
La Seekadett n’a pas une coque de « vitesse », mais elle est quand même assez fine et bien profilée comparée à un cargo, un chalutier ou un remorqueur. Il me semble donc qu’un coefficient de glissement de l’ordre de 25% doit être assez conservateur.
La formule de calcul est toute simple dans son principe :
Vrotation hélice = (Vmaquette/Pas hélice)/(1-Coef Glissement)
Il faut juste bien respecter les unités.

Ma maquette est équipée pour le moment en version électrique d’une hélice Raboesch Ø60, pas 53,3mm (ref 156-13).
Voilà donc le résultat avec la deuxième partie de la feuille :

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La sagesse populaire me dit que 1500trs en vapeur c’est un peu élevé et augmente inutilement la consommation, l’idéal étant de tourner entre 1000 et 1300trs max.
J’ai dans mes tiroirs une autre hélice Raboesch Ø65mm, pas 66,6mm (ref. 146-23). Voyons voir ce que ça donne :

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1200trs/mn, nettement mieux.

Raboesch commercialise aussi une Ø70mm avec pas de 71,7mm qui donnerait une vitesse de rotation de 1116tr/mn, semble -t-il idéale. Côté encombrement elle doit passer mais est avec un filetage M5 au lieu de M4 pour l’arbre et donc nécessité d’une bague d’adaptation.

Je m’en tiendrai dans un premier temps à la Ø65 et donc une vitesse de rotation de 1200trs/mn.

Voilà le paramètre de base défini et la première feuille « Vitesse » complétée.

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Vous pouvez télécharger cette première partie du tableur au choix sous deux formats Excel, .xls format le plus ancien ou .xlsm dernier format:

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Pour jouer avec, renseignez les cases au fond "jaune'. Les cases au fond "bleu" sont le résultat des calculs. Les cases au fond "vert" reçoivent votre choix final. Ce sont ces valeurs qui seront utilisées dans la suite des calculs et elles doivent impérativement être renseignées.
La feuille est protégée et seules les cellules "jaune" sont accessibles.

Vous voyez, usage simple et pas trop de formules...

Marcel.
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Hello!
Tellement simple lorsqu'il n'y a plus qu'à remplir quelques cases avec les données qu'on a sous la main.
Et de jouer avec avant de se décider.
Cordialement.

Salut,

Après le choix raisonné de la vitesse de la maquette et le calcul de la vitesse de rotation de l’hélice sélectionnée, il faut s’intéresser à la puissance nécessaire à la propulsion.
De nouveau, deux approches sont possibles.

• 1ère méthode :
Si les données concernant le bateau « grandeur » sont disponibles (puissance installée et déplacement), elle se résume à calculer la puissance installée par kilo de déplacement du « grandeur » et à appliquer ce ratio au poids calculé ou estimé de la maquette. Simple, mais :
- Ne tient aucun compte des subtilités de la mécanique des fluides.
- La puissance installée documentée correspond en général non seulement aux besoins de la propulsion mais probablement aussi au fonctionnement d’autres installations (génération de courant, treuils, grues, besoins hydrauliques, etc…) et soucis de redondance.
Le résultat généré par cette méthode est donc bien souvent surévalué et à utiliser avec circonspection.
Voilà le petit bout de tableur faisant les calculs avec un outil de conversion CV vers Watts en prime.

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Dans le cas de la Seekadett, le « grandeur » n’ayant jamais existé cette méthode est inexploitable.

• 2ème méthode :
Là, on revient aux fondamentaux et si l’on veut être rigoureux c’est plutôt compliqué !
- La puissance utile nécessaire à l’avancement du bateau est égale à la poussée exercée par l’hélice multipliée par la vitesse. (Travail fourni par seconde)
- La poussée devra être égale (et opposée) à la résultante de toutes les forces s’opposant à l’avancement du navire à la vitesse choisie.

Les forces s’opposant à la navigation sont classables en trois grandes catégories :
- Les résistances visqueuses incluant les forces de pression liées à la forme de carène et aux remous générés (le fameux Cx sur les voitures…) et les forces de frottement sur la surface mouillée.
- Les forces liées à la résistance des vagues, dépendant de la vitesse et de la longueur du navire (on retrouve la vitesse critique).
- la résistance aérodynamique des superstructures.
A nos vitesses, nous pouvons négliger la résistance aérodynamique. Les deux autres forces se déterminent en « grandeur » à partir d’essais en bassin de carène et le calcul d’une multitude de coefficients adéquats. Coefficients que nous avons à notre échelle beaucoup de mal à appréhender. Il est donc, je pense, illusoire de vouloir trop détailler ces calculs.
Avant l’ère des calculateurs et simulateurs surpuissants, une formule faisant intervenir les trois facteurs principaux, surface de coque mouillée, surface maître-couple mouillée et vitesse (à des puissances diverses) était couramment utilisée. Elle peut encore être simplifiée et semble donner des résultats acceptables à nos vitesses pour des coques à déplacement (source L. Suykens):
P = 500 x S x C x V³
P en W, S surface immergée du maître-couple en m2, C un coefficient de pénétration entre 0,25 et 0,3, suivant la finesse de la coque, V la vitesse en m/s.
C’est cette approche simple qui est utilisée dans le tableur.
Pour appliquer la formule, il faut la section immergée du maître-couple. Si le maître-couple est dessiné sur un truc comme Autocad, le programme vous fera le calcul. Sinon, il y a toujours la méthode du dessin sur papier quadrillé avec le comptage des carrés. Ou vous prenez la petite formule décrite sur le tableur donnant une valeur approchée à partir de la largeur du maître-couple et son creux.
Pour déterminer le creux, il est préférable, je pense, de surélever la ligne de flottaison de 10 à 20% pour tenir compte de la hauteur de la vague d’étrave.
Voilà donc la suite du tableur :

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Nous avons donc calculé la puissance utile que doit délivrer l’hélice. Mais au contraire de la 1ère méthode, cette 2ème ne donne pas la puissance du moteur ! Il faut tenir compte de toutes les pertes du système !
- Le rendement de l’hélice : Seule une petite partie de l’énergie transmise à l’hélice est effectivement convertie en force de propulsion. Le reste est dissipé en frottements dans l’eau, remous et tourbillons variés et divers. C’est tout l’art du design d’une hélice, extrêmement complexe, et les secrets sont jalousement gardés par les fabricants d’hélices « grandeurs ». J’ai retrouvé un petit graphique donnant le rendement en fonction du facteur de charge, Pas/diamètre. Un estimé qui en vaut sans doute d’autres. Avec nos petites hélices pas très sophistiquées, le rendement tourne probablement autour de 30 à 35%... Jouant la prudence, j’ai choisi un rendement de 30%.
- Le rendement de l’arbre d’étambot : Faute de mesures sérieuses, on ne peut que travailler au « pifomètre » … Il est bien évident qu’un arbre entièrement monté sur roulements étanches, sans graisse dans le tube et avec une butée à bille aura un rendement nettement meilleur que celui sur paliers et butée lisses avec un tube bourré de graisse ou huile.  Dans mon montage, avec un tube partiellement sur roulements, j’ai choisi 85%.
- Le rendement des cardans : Pas de bien bonne qualité, pas de roulements, etc… De nouveau au pifomètre, disons 90%. Un « toc » devrait être meilleur…
- Et enfin le rendement mécanique interne du moteur. Il y a de nombreux paliers, les frottements des pistons, des bielles, des biellettes, des tiroirs… Dépendra beaucoup du type de moteur et de la qualité d’usinage et d’assemblage. Renseignements pris auprès de fabricants : Un rendement de 80% est une bonne valeur pour un moteur de qualité.
Il ne reste plus qu’à rentrer tout ça dans le tableur pour obtenir la puissance calculée du moteur :

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Et un truc qui interpelle un peu : Le rapport entre la puissance utile à la propulsion et la puissance calculée du moteur est de 8,2/1,5=5,5 ! En d’autres termes, un rendement global d’environ 20%. Recherche sur le net et renseignements pris auprès d’experts me confirment qu’effectivement, bien souvent, on ne détaille pas les calculs et on prend un ratio de 5 !... Je suis donc dans la norme, un poil conservateur !

Note : Il faut bien comprendre que la puissance que nous avons ainsi calculé est celle nécessaire à maintenir le bateau lancé à la vitesse choisie. Elle permettra de calculer le débit de vapeur nécessaire. Nous reviendrons plus tard sur ces histoires de puissance.

Pour télécharger le tableur avec cette nouvelle feuille:

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Voilà une bonne chose de faite !

Marcel.

I do find this interesting Rookie........

However even with Office 365, I cannot auto translate the full content of either the .xls or .xlsm spread sheets , only sub elements of individual box content

So I see optimum thrust is the goal, you are still governed by the available choice of engine/speed/power and boiler pressure/volume/output together with propeller size and characteristics

Will you try the line of best fit for the components that are commercially off the shelf?...[I do see the possibility of using a special build propeller with M4 mounting]

Watching on with interest

Derek

Hello Derek,

Thanks for your interest.
I am sorry that you can't get a full and easy translation. I hope you can get enough to follow.

The goal is to try to design a simple spreadsheet, easy to use, to model a complete steam installation: From model speed to size of boiler and burner.

Then to use it to evaluate and better understand the impact of some of the parameters chosen and try for the best compromise. No new ideas or anything revolutionary, just a king of digest of all info available around...

And if it works well I might publish an english version...

Marcel.
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Hello Derek.
From one element laying on your shelf , i.e : propeller, engine, boiler, boat (and the shape), you should be able to figure out the size and type of the other elements by filling the boxes with some figures.
It's fun to play with and to see what comes up by changing one number .
C heers.

Salut,

Nous avons défini la vitesse de rotation de l’hélice et calculé la puissance moteur théorique qu’il nous faut. Il nous faut maintenant choisir la cylindrée du moteur.
Les formules de calcul de la puissance d’un moteur sont plutôt simples :
- la puissance est le travail fournit en 1seconde.
- Le travail fournit par nos moteurs à piston est le résultat de la force exercée sur le piston par la vapeur multipliée par son déplacement, la course.
Quand ces formules sont réduites et nettoyées on obtient une relation toute simple :
Puissance = Pression admission x Cylindrée x Tours/s, le tout dans les unités adéquates.
Deux façons d’aborder le calcul :
- Soit on calcule la cylindrée exacte du moteur idéal à partir de la puissance nécessaire, de la pression d’admission et de la vitesse de rotation.
- Soit on part directement d’une cylindrée donnée et on calcule la puissance disponible que l’on peut alors comparer avec la puissance théorique nécessaire calculée à l’étape précédente.
Le choix des cylindrées étant assez limité (à moins de construire soi-même le moteur), c’est cette deuxième approche que j’ai utilisé dans le tableur.

• Calcul de la cylindrée :
Si vous avez les détails du moteur (alésage, course, nbre cylindres, etc…) vous pouvez recalculer la cylindrée. Sinon, le tableur laisse le choix d’entrer directement la cylindrée. Si cette dernière case est renseignée, c’est cette valeur qui sera utilisée pour les calculs suivants. Voilà donc le premier bout de cette feuille avec un moteur Anton Jade 3cc:

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• Calcul de la puissance théorique du moteur :
Il nous manque une donnée essentielle : La pression de la vapeur arrivant sur la tête des cylindres.
Avec un ensemble chaudière/soupape de sécurité/régulateur de chauffe en principe réglé pour 3 bars mano (valeur standard…) il faut appliquer 4 corrections :
- La pression mano dans la chaudière ne sera pas stable à 3 bars durant un fonctionnement à plein régime. Sous les effets combinés de l’hystérésis du régulateur et des délais de remontée en pression de la chaudière, la valeur moyenne sera plutôt aux alentours de 2,8 bars au mieux.
- Entre la sortie de la chaudière et l’entrée sur le moteur, il y a un grand nombre de trucs causant des pertes de charge (tubes, coudes, vannes, graisseur,etc…). Je vous renvoie à une petite étude sur le sujet :

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Et donc probablement une perte de 0,2 à 0,3bar.
- De l’entrée dans le moteur à la surface du piston, la vapeur va encore subir un laminage sévère tout au long de la circulation à travers tiroirs et autres chicaneries. Et de nouveau, il faut estimer une valeur moyenne entre début de l’admission et le plein remplissage du cylindre. Pas facile à évaluer et encore moins à calculer. Il faudrait modifier un moteur avec une prise mano sur un cylindre !!!... Disons 0,3 à 0,4 bar au total.
- Et pour finir, dans un double effet, la face opposée du piston est réputée être à pression atmosphérique sur tout le cycle de remplissage, ce qui n’est sûrement pas vrai et créée donc une petite force résistante (Le calage est critique pour minimiser cet effet). Disons 0,1bar.

Donc au total une diminution autour de 0,8 à 1 bar… Et une pression effective sur les cylindres proche de 2 à 2,2 bar mano. Dans le tableur, un coef global de pertes permet de régler cette valeur selon votre ressenti ! Toujours désireux de jouer la sécurité, je l’ai ajusté pour 2.0 bar.
Cette perte de charge  (élevée et à priori un peu surprenante…) m’a été confirmée par les concepteurs/constructeurs de moteur : Prendre 2 bar ou même un peu moins pour une chaudière à 3 bars nominal. C’est ainsi que sont conçus leurs moteurs.
Ayant tous les facteurs, le tableur peut -être complété pour calculer la puissance du moteur :

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• Choix de la cylindrée :
Il nous fallait 8,2W et ce 3cc, dans les conditions spécifiées, délivre 11,9W. Ça paraît plutôt généreux…
Essayons un 2cc :

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Cette fois la puissance est légèrement inférieure à nos besoins, 7,8 au lieu de 8,2… Un 2,5 serait peut-être idéal… Mais ça n’existe pas chez mes fournisseurs habituels français…

Ce sera donc un 3cc.

• Analyse :
Comparons les performances de ce moteur avec ce que nous désirions avoir avec un petit bout de tableur supplémentaire où l’on recalcule la vitesse du bateau possible avec cette puissance :

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Nous avons 45% de puissance en plus, mais seulement un gain de 13% de vitesse ! On vérifie bien que l’excédent de vitesse coûte cher en vapeur !  On peut récupérer la vitesse d’hélice qui correspondrait à cette vitesse max : Il suffit d’entrer les 4,1kmh dans la page « Vitesse » et de laisser travailler le tableur avec éventuellement une itération ou deux pour obtenir égalité des vitesses « entrée » et « calculée » sur cette page.  Au final, le moteur pourrait entraîner le bateau à 4,3kmh et la vitesse de l’hélice serait à plein gaz d’environ 1450trs/mn.

Conclusion : Avoir une petite réserve de puissance sous le coude peut être utile pour se sortir d’un mauvais pas. Mais en navigation standard, il faudra simplement ne pas être « plein gaz », mais à 80  ou 90%,  sinon gare à la consommation « vapeur ».

Pour compléter cette feuille de calcul sur le choix de la cylindrée, j’ai rappelé les recommandations de deux constructeurs français ainsi qu’une ancienne table de la FFMN. Rappelons que le déplacement de la Seekadett est d’environ7,5kg.
Rassurant de voir que le résultat des calculs correspond à ces recommandations !!
Voilà donc la feuille « Moteur » complète :

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Ca progresse, doucement, mais ça progresse...

Et comme toujours, les liens:

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Marcel.
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Hello!
Merci Rookie pour tout ce travail de raisonnement et de calculs..
J'attends la fin des travaux pour (à ce stade ) jouer avec des pressions supérieure et voir ce que ça donne en consommation et vitesse , au final.
Ca devient interessant et amusant!
Bonne soirée.

Salut,

On continue.....

Ayant choisi la vitesse de rotation de l’hélice, la pression de fonctionnement et la cylindrée, nous avons les trois données permettant de calculer la consommation de vapeur, donc d’eau par minute, et la surface de chauffe nécessaire à la vaporisation.

• Consommation de vapeur et d’eau :
Les formules sont très simples :
- Consommation volumique de vapeur/mn = Cylindrée x Vitesse de rotation
- Consommation massique de vapeur/mn = Conso Vol. x Masse volumique de la vapeur.

Cette dernière variable, Masse volumique de la vapeur,  est extraite des tables « Vapeur » d’après la pression d’admission.
Et comme « rien ne se créée, tout se transforme », la masse d’eau à vaporiser/mn sera égale à la consommation massique de vapeur/mn.
Il faut quand même tenir compte des fuites éventuelles au niveau du moteur. Pourcentage très variable selon le type et la qualité du moteur.
Par exemple, avec le Stuart oscillant monté dans mon « Antéo » il y a beaucoup de condensation autour du moteur et je récupère 1 ou 2 dés à coudre d’eau dans le bac sous le moteur après chaque navigation. Par contre avec l’Anton moteur type pilon installé dans ma chaloupe « Danmar », il n’y a pratiquement rien, quelques gouttelettes…
Dans l’exemple de calcul pour la Seekadett, j’ai pris un coefficient de pertes de 2%... Peut-être un peu optimiste… A voir.

Voilà donc la première partie de la feuille « Vapeur » :

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Pour alimenter le moteur de 3cc, tournant à 1200tr/mn, avec une pression nominale de chaudière à 3bars, il nous faudra donc vaporiser 6gr d’eau par minute.

• Surface de chauffe :
Nous connaissons la masse d’eau à vaporiser par minute pour alimenter le moteur à la tournant à la vitesse choisie. Cette vaporisation requiert un apport de chaleur déterminé à partir des tables « Vapeur » :

Chaleur à fournir /mn = Enthalpie massique de vaporisation x Masse d’eau à vaporiser/mn

Cette "chaleur/mn" est encore appelée flux thermique. Ce flux s’établit entre la flamme du brûleur et ses fumées vers l’eau de la cuve.
Le calcul précis est du genre plutôt compliqué ! le flux se fait via diverses interfaces, flamme/tube foyer + flamme/tube d’eau + tube foyer/eau + tube d’eau/eau. La chaleur est transmise à travers les épaisseurs du tube foyer et des tubes d’eau. Les phénomènes mis en œuvre sont de types convection, rayonnement et transmission. Et varient selon le type de circulation des fluides et des fumées.
Une approche un peu simplifiée des transferts thermiques peut s’écrire :

Flux thermique = Coef. de transmission x Surface d’échange x Ecart de température.

Le coefficient de transmission est l’inverse de la résistance thermique. Et les résistances thermiques de chacune des interfaces pour chacun des effets s’additionnent (comme en électricité dans les montages parallèles) selon leurs inverses. Ouf !! De quoi s’occuper… Mais pas de panique ! Quand on calcule tout ça, on s’aperçoit que :
- La température de la flamme est pratiquement la même quel que soit le gaz ou le mélange butane/propane, autour de 1900°C pour une combustion parfaite. (Cette température n'est pas celle des fumées dans le tube qui elle sera nettement plus faible, probablement autour de 1300°C, sous l'effet d'un tas de trucs complexes). La température des fumées diminue le long du tube (elles cèdent de la chaleur à l’eau) mais suivant le même gradient quel que soit le gaz de chauffe.
- La température d’évaporation de l’eau dans la chaudière ne varie pas beaucoup aux pressions courantes de nos chaudières. Allez, disons entre 130 et 150°C.
- La température des fumées à la sortie du tube foyer ne varie pas non plus beaucoup avec les dessins courants de chaudières simples. Pour une chaudière raisonnablement efficace, basée sur l’expérience, elle sera de l’ordre de 250 à 300°C.
- Du coup, l’écart de température dans la formule varie relativement peu.
- L’épaisseur des tubes est faible (généralement entre 1 à 2mm). L’impact de la résistance de transmission est pratiquement négligeable. D’ailleurs, à ce sujet, chercher à utiliser un métal plutôt qu’un autre sur la base de leurs propriétés thermiques est un exercice futile …
Et donc au bout du calcul, avec les configurations classiques et simples de nos chaudières horizontales (tube foyer + tubes d'eau), il s’avère que le produit (Coefficient de transmission x Écart de température) varie peu et que l’usage d’une valeur moyenne est acceptable pour nos applications.
En première approximation on peut donc ré-écrire l’équation de départ :
Flux thermique = Pseudo-constante x Surface d’échange
La valeur communément admise pour cette pseudo constante pour ce type de chaudière est entre 4 et 5gr/dm2/mn, 4gr/dm2/mn étant la valeur le plus souvent retenue. Répétons-le, cette valeur repose pour beaucoup sur l’expérience, le développement précédent ne servant qu’à expliquer pourquoi en gros ça marche.
Le calcul de la surface de chauffe que devra offrir la chaudière pour délivrer les 6gr/mn de vapeur précédemment calculés devient très facile, une simple division !

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Dans le dessin de la chaudière, il nous faudra donc au minimum prévoir 1,5dm2 de surface de chauffe.

• Capacité de la cuve :
A ce stade, on peut calculer la quantité d’eau qui sera utilisée en fonction du temps de navigation. Il suffit de multiplier la masse d’eau à vaporiser/mn calculée précédemment par le temps de navigation souhaité.
Dans l’exemple de la Seekadett j’ai estimé que pouvoir naviguer à plein régime pendant 20mn serait suffisant. En tenant compte des manœuvres à faible vitesse, des changements de régime, etc… cela me donnera probablement 30 à 35mn sur le plan d’eau. Bien suffisant pour moi.
Cette quantité d’eau correspond au volume utile de la cuve.
Voilà la feuille « Vapeur » complète :

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• Note :
Pour revenir sur le pourcentage de fuites à considérer. Je l’avais évalué à 2% ce qui veut dire que j’estimais perdre sous forme de vapeur l’équivalent de 119x2%= 2,5cm3 d’eau. En admettant que 2/3 de cette vapeur s’échappe dans l’atmosphère et 1/3 se condense aux abords du moteur je devrais récupérer 2,5/3 =0,8cm3 d’eau. Un petit dé à coudre… Par expérience je pense que j’en ai moins que ça. Donc pour ce modèle de moteur, 2% n’est probablement pas déraisonnable.

Voilà, pas trop compliqué finalement...

Et bien sûr les liens mis à jour:

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Marcel.

Rookie.....we see many valid calculations...

I give up. ...the auto translater continues to change my message..................

However will we see in our model steam plants one of the greatest contributors of thermal loss of steam energy is due to the poor level or Ineffective Insulation between the Tubes from the boiler and to the engine.......

We also have cubic mass of metals [brass] in steam lubricator bodies and steam regulator bodies that consume steam energy by temperature loss not only during startup, but are a continual consumer of temperature loss, and so energy loss

Will your Paper consider this?

Derek

PS...please excuse, I must sometimes put words in embolden, underline, capitalisation or parentheses...or the auto translator changes or deletes many words

Hello Derek,

The answer to your question is "no" and "yes"....
You are absolutely right, we do loose some energy via the temperature drop along the line from boiler to motor and the steam lubricator and the master valve. It would result in an additional drop in pressure.
The question is how much and what is the impact on our spreadsheet model... An exact model would be very complicated to define and way beyond the intent and accuracy of this little exercise.
A quick and dirty evaluation based on the numbers of this spreadsheet and assuming a connecting pipe of 2mm inside diameter for a length of 200mm results in a temperature drop of 3 to 5°C. But the same quick and dirty evaluation shows also that a simple layer of insulation via the usual braided cotton thread (Ø2 to 3mm), well applied can reduce the drop by a factor of 3 to 5...
The effects of this potential drop of temperature would need to be combined with the effects of pressure drops through friction on wall of tube, restrictions, etc... And resulting potential superheating of the steam...
So I did not make a specific correction for this effect in this model. I just took some very conservative values for the total drop of pressure between the nominal value at boiler and the value on cylinder heads.
And I feel that, provided proper insulation is applied, we remain well within the general accuracy of the model.
To be noted also that the lack of insulation around the steam lubricator is a necessary evil for it to perform correctly.

If you have some more detailed computation on this subject I would be very interested.
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Derek me demandait si j'avais tenu compte des pertes de chaleur dans la ligne reliant la chaudière au moteur qui selon lui est une source majeur de perte d'énergie dans nos installations via une baisse de la pression à l'entrée des cylindres.

Je lui ai répondu que non je n'avais pas spécifiquement pris en compte ce facteur. Un calcul précis serait assez compliqué à faire. Et il faudrait aussi tenir compte des effets de la lamination sur la température de la vapeur, etc... Bien au delà de ce que ce petit tableur essaie de faire.
Toutefois, avec un calcul très approché, on peut évaluer, dans les conditions du présent modèle, et avec un tube de connexion de Øint 2mm la chute de température entre 3 & 5°. mais ce même calcul montre qu'avec une couche d'isolation en tresse de cotton (Ø2 à3mm) bien posée on réduisait cette perte par un facteur de 3 à 5...
Donc dans mes calculs je me suis contenté d'être plutôt conservateur sur le différentiel entre la pression nominale chaudière et la pression cylindre et je pense que ça devrait couvrir aussi cette perte potentielle. Et avec une bonne isolation du tuyau ça devrait donner des résultats acceptables.
Si vous avez des exemples de calcul plus précis, je suis preneur...

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Hello!
Bobino did some calculations a long time ago and he shown that losses was negligible at this level, passed the first condensed steam supply , the line remains hot enough.
Even with both ends of the boiler which are not insulated the losses there , are not consequent.
Personally,  I consider that it does not hurt to insulate all we can.
Even if the gain is discutable, the burns are avoided.
Regards.

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Bobino a déjà fait quelques calculs compliqués la-desus et il ne considère pas que les pertes au niveau de la ligne doivent être prises en compte.
Il en est de mème pour les deux faces de la chaudière qui sont nue.
Il ya mème certains Vaporistes qui ignorent totalement l'isolation.
Personnellement, je préfère tout isoler. Mème si le gain n'est pas substantiel, on y gagne quelque chose et on évite de se bruler les doigts...
Cordialement.

ps: JPA a une chaudière complètement isolée, il pourra nous en dire plus. Bobino aussi par la mème occasion.

Rookie…..

Yes, a few years ago I attempted to better understanding of heat loss with un-insulated compared to insulated miniature steam tubes

~~ 300 mm 3.175 mm OD copper tube includes 3 x 90 degree bends, a 20mm square brass topped lubricator & a similar size steam regulator
3 Bar relief valve setting via a visual acceptance with a 20 mm diameter 10 Bar model pressure gauge which are listed as +/- 5% on full Scale [FSD]
An inexpensive [$16.00] hand held digital pyrometer  listed as +/- 1.5% of displayed reading
Using Standard Steam Tables to understand extrapolated results

So……after some 10 minutes of preheat & running

~~143 degrees C at the boiler top brass isolation valve which equates to the ~~3.0 Bar relief valve setting
~~138 degrees C at the engine ports ~~2.4 Bar [~~5 degree C and 0.6 Bar loss]

Add tightly wound cotton twine coated with Polyester filler over the 3.175 tube, sanded & painted to a nominal 12.5 mm diameter & repeat the tests

~~143 degrees C at the boiler top brass isolation valve which equates to the ~~3.0 Bar relief valve setting
~~140 degrees C at the engine ports ~~2.6 Bar [~~3 degree C and 0.2 Bar loss] over the un-insulated tubing

This in itself is not an insignificant improvement in thermal efficiency  [heat loss], but when applied to the exhaust steam lines makes similar improvements in reducing condensate as liquid around the 100 degree C point  

So you ask, is it worth insulating our model steam plant tubes?
I say yes, there is a clearly proven increase in thermal efficiency, or heat loss
I say yes, the outer 12.5mm diameter of the insulated tube is warm at ~~45 degrees C, but will not burn your hands.........  
Without that $16.00 digital pyrometer ....all is just guesswork........... 


Derek

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Good morning.
Thank you for sharing those figures !
Better than long talks.
Cheers.

Thanks Derek for sharing those very interesting numbers. They do more or less confirm the results of the gross calculation I did. It is always nice to have confirmation from a real experiment.

They do confort me on the total pressure loss in the line which I estimated in the model between 0,2 to 0,3bars with a reasonably well insulated pipe. May be a little low from your experiment but I took another drop within the engine which is probably a little high.
So globally the figure of a global drop of 0,8 to 1 bar between boiler and piston is probably reasonable.

And I fully agree that a well made insulation can only be a real plus.
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Hello,
Tous ces calculs sont très intéressants et permettent de mettre le doigt sur des principes de fonctionnement qui ne sont pas forcément évidents à première vue. Sans entrer dans des considérations thermodynamiques trop ardues, le bon fonctionnement d'une installation vapeur non isolée va dépendre essentiellement de la température extérieure. La machine peut très bien marcher, sans isolation thermique sur les fonds de la chaudière et la ligne d'alimentation vapeur, en plein été lorsque la température extérieure est supérieure à 20° C. Mais les performances vont rapidement se dégrader quand les températures vont chuter vers 10/12° C durant l'inter saison (je ne parle même pas de la navigation en hiver). De plus si la démonstration inclue de nombreuses manoeuvres avec des stops prolongés, il y a fort à parier que le moteur bloque à un moment ou à un autre et ne puisse pas redémarrer à cause des gouttelettes dues à la condensation. C'est pour cela que je suis un inconditionnel de l'isolation thermique en vapeur et non pas pour des considérations de rendement qui est un non sens à notre échelle.

En ce qui concerne les hélices, les pales ne se contentent pas de se comporter uniquement comme une vis progressant dans un écrou (l'eau). Les pales possèdent également un profil ayant un extrados et un intrados qui contribue à créer une dépression sur l'avant de l'hélice et une surpression sur l'arrière. Cette contribution à l'amélioration du rendement est évidemment impossible à quantifier, surtout à l'échelle de nos modèles réduits. Malgré tout, j'affûte l'extrados du bord d'attaque et du bord de fuite des pales sur les hélices achetées dans le commerce. Ces pales sont souvent formées à partir d'une tôle d'épaisseur constante et le fait de les affûter permet également d'améliorer l'esthétique et l'aspect maquette.

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Merci JPA pour ces compléments d'info.
Effectivement la température extérieure jouera (j'avais fait mes calculs très approchés avec une temp ambiante de 20°C).
Hors toute considération de rendement, je pense que le bon sens devrait convaincre tout le monde d'isoler ce qui est chaud et doit le rester...

Bien vu l'affutage des pales...
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Salut,

La presque dernière ligne droite... Connaissant nos besoins en vapeur, nous pouvons attaquer les calculs relatifs au brûleur.

• Puissance de chauffe nette requise en navigation :
La masse totale d’eau à vaporiser durant les 20mn souhaitées de navigation a été déterminée à l’étape précédente.
Le calcul de la quantité de chaleur nécessaire pour la vaporiser est aisé :
Quantité de chaleur = Enthalpie massique de vaporisation x masse d’eau à vaporiser.
Il suffit de récupérer dans la table des données « Vapeur » l’enthalpie de vaporisation à la pression nominale de la chaudière (3 bars mano dans notre exemple) et de faire la multiplication avec les bonnes unités.
Mais la chaudière est loin d’être parfaitement isolée, en particulier les fonds. Il nous faut donc tenir compte de cette perte de chaleur. Pas de chiffres absolus sur le sujet mais ces pertes sont bien réelles : Arrêtez le moteur et gardez le reste opérationnel. A intervalles réguliers le brûleur se déclenchera pour maintenir la pression ! On pourrait de nouveau tenter un calcul sur les flux thermiques… Plus humblement, nous nous contenterons d’une valeur généralement admise : Pertes de 10 à 20% selon la qualité du calorifugeage. 15% paraît une bonne valeur moyenne , probablement un peu conservatrice!
En appliquant cette correction nous obtenons la quantité de chaleur totale à fournir durant la navigation et pouvons déterminer la puissance de chauffe nette requise (chaleur à fournir par seconde).
Voilà cette première partie de la feuille « Brûleurs » :

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• Caractéristiques du brûleur en navigation :
La chauffe se fait au gaz butane ou mélange butane/propane.

La première donnée dont nous avons besoin est l’énergie dégagée par la combustion de ce gaz.
C’est le pouvoir calorifique ou énergie de combustion. Elle s’exprime en Kilojoules/kg. Il en existe deux « variétés » :
- Le pouvoir calorifique supérieur (PCS): Il inclut la chaleur latente contenue dans la vapeur d’eau générée par la combustion et que l’on pourrait récupérer par condensation .
- Le pouvoir calorifique inférieur (PCI) : Il exclut la chaleur latente de la vapeur d’eau.
Dans nos applications, c’est bien sûr le PCI qui nous intéresse.
Il est de 46,357MJ/kg pour propane et de 45,752MJ/kg pour le butane. Et une valeur entre les deux en cas de mélange. Des valeurs très proches et, à la précision de nos calculs, nous prendrons une valeur de 46 MJ/kg quel que soit le mélange utilisé.

La deuxième donnée à considérer est le rendement de notre chaîne de chauffage avec deux coefficients à évaluer :
- Le rendement du brûleur : La combustion n’est jamais parfaite et donc seulement un pourcentage du PCI est disponible. Pour des brûleurs au gaz assez simples, il est communément admis un rendement de combustion entre 70 & 90%. J’ai utilisé 80% dans les calculs.
- Le rendement de la chaudière : Avec une chaudière parfaite, les fumées sortiraient à la température ambiante et toutes les calories disponibles dans la flamme et les fumées auraient été transmises à l’eau. Comme on l’a vu précédemment ce n’est pas du tout le cas. Avec nos machines simples au mieux nous pouvons espérer des fumées sortant du tube foyer entre 250° et 300°C. Par expérience, le rendement de nos types de chaudière peut varier entre 50 et 75% pour les plus étudiées. Dans mes calculs, j’ai choisi une valeur moyenne de 60% qui semble selon les informations disponibles faire consensus…
Le rendement global de la chaîne de chauffage sera donc le produit de ces deux valeurs, soit 48%.

Et en appliquant ce rendement à la puissance nette nous obtenons la puissance brute du brûleur en watts.
Ce n’est pas une unité très facile à appréhender. Nous le convertissons donc en gr/h et au passage nous calculons la masse de gaz à brûler durant la navigation.
Voilà donc la feuille sur les caractéristiques du brûleur souhaitables en navigation.

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Lors d’une navigation à pleine puissance, il me faudrait donc un brûleur permettant de consommer 40gr de gaz à l’heure pour maintenir la pression dans la chaudière.

Et le tableur mis à jour :

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Note : Les calculs sur le brûleur durant la phase de chauffage ne pourront se faire qu’après avoir dessiné au moins une première ébauche de la chaudière pour déterminer la masse de métal à chauffer, le volume réel d’eau embarqué, etc… Ignorez pour le moment la partie de la feuille relative à la mise en pression.

• Des histoires de rendement :
Dans les conditions de la simulation, nous avions calculé la puissance du moteur à environ 12W. Via le gaz, nous injectons dans le système une puissance de 508W. Le rendement global est donc environ de 2,5% !!!!!!  Surprenant ? Pas vraiment :
Les premières machines à vapeur « grandeur » avaient un rendement de 0,5% en 1715... Les machines de Watts en 1777 atteignaient 2%... Avec l’arrivée du compound, de nouveaux matériaux, l’usage de pressions plus élevées et de nombreuses améliorations les rendements grimpèrent à 9% vers les années 1870, pour culminer à 12% en 1914.
Alors sur nos petits modèles fonctionnant à très basse pression, tournant vite, n’exploitant pratiquement pas la détente, les frottements, etc… 2,5% semble finalement pas si mal !

Note :
J’ai parfois entendu : « Pas grave si ma chaudière est trop juste et que la pression s’écroule en navigation à plein régime, je mettrai un brûleur plus puissant… »  Est-ce une bonne idée ?
En augmentant la puissance du brûleur, on va gaver le tube foyer en fumées. En supposant qu’il soit de diamètre suffisant pour ne pas refouler, l’impact immédiatement vérifiable sera que les fumées à la sortie seront nettement plus chaudes. C’est le principe même de l’exercice, essayer d’augmenter le rendement de vapeur en augmentant la température des fumées… Et première constatation évidente: Le rendement global de la chaudière va être sérieusement dégradé.
On peut aller un peu plus loin dans l’analyse. Nous avions établi la formule générale des échanges :
Flux thermique = Coef. de transmission x Surface d’échange x Ecart de température(dT).
Le facteur « Ecart de température » est entre l’eau de la cuve et les fumées. Il décroit tout au long du cheminement selon un gradient assez complexe à déterminer (un truc avec des logs népériens, etc…) et qu’il faudrait ensuite intégrer sur la longueur du tube. Pour faire une analyse grossière, on va simplement prendre un gradient linéaire et calculer un écart de température moyen avec une température de l’eau de la cuve à disons 140°.
- Avec un brûleur raisonnablement dimensionné comme défini dans les calculs précédant, nous avions estimé la température des fumées en sortie du tube foyer au max à 300°
A l’entrée du tube foyer, les fumées sont à la température max : dT=1900 -140=1760
Calcul complètement théorique car la température réelle des fumées à l'entrée sera nettement plus basse... Mais bon dans le cadre de ce petit calcul, seul le principe compte, pas vraiment les valeurs réelles...
A l’autre extrémité, les fumées sont à 300° : dT=300 -140=160
Et donc la valeur moyenne linéaire est (1760 + 160)/2 =960°
- Imaginons un surdimensionnement du brûleur tel que les fumées en sortie sont à 500°C (ça devient chaud pour les soudures et l’environnement !) :
A l’entrée du foyer rien ne change donc dT=1900 -140=1760
A l’autre extrémité, les fumées sont à 500° : dT=500 -140=360
Et donc la valeur moyenne linéaire est (1760 + 360)/2 =1060°
Nous aurons donc gagné un modeste 10% sur le facteur « Écart de température » et avec un modèle plus sophistiqué et précis, ce serait probablement nettement moins. Et tout ça au prix d’une forte dégradation du rendement de la chaudière et bien sûr d’une augmentation très sensible de la consommation de gaz.
Donc à mon avis c’est une très mauvaise approche et qui ne résoudra pas les problèmes d’une chaudière sous-dimensionnée.
Pour appréhender intuitivement ces histoires de chaudière et brûleur, on peut aussi pousser l’analogie avec un circuit électrique : Dans celui-ci, avec un voltage donné ce n’est pas la puissance du générateur qui définit l’échauffement d’une résistance, mais la valeur de la résistance elle-même. De même pour nos chaudières, avec une température de flamme donnée ce n’est pas la puissance du brûleur qui déterminent la quantité de chaleur transmise à l’eau mais la valeur des résistances thermiques qui dépendent principalement des surfaces d’échange.

Marcel.
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Rookie...on Wednesday the 11th, you say....

"The temperature of the fumes at the outlet of the chimney does not vary much with the current drawings of simple boilers. For a reasonably efficient boiler, based on experience, it will be in the range of 250 to 300 ° C"


My fire hearth is an 89mm diameter [ conventional water cross tube design with butane firing ] vertical boiler with a 28mm diameter chimney, the engine exhaust steam and relief valve steam pipes are both mounted externally to the actual boiler chimney, so the 100 degrees C reflected is from boiler flue gasses only

I am unable to measure boiler exhaust gas temperatures,  however the copper chimney tube of my boiler during my mentioned tests was in the order of ~~100 degrees C only

This 100 degrees C was at the actual bronze metal chimney top ring, so irrespective of calculation from tables input, I question this exhaust gas temperature  which is totally at odds with your 250 to 300 degrees C

Derek

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Hello Derek,

A few comments:
- May be I was not very clear... The exhaust temperature I am mentioning (and of interest for some quick approximate calculations) is right at the end of main heating tube and not at the output of the chimney to atmosphere. What happens to the fumes between that point and the actual exhaust to atmosphere has no impact on the efficiency of the boiler.
- At that point there is no way that the fumes could be at a lower temperature than the surrounding water which, at our typical pressures, is around 140°C. That would be for a near perfect boiler close to 100%efficiency. Which our models are definitely not!
- So I really feel that that value of 200 to 300°C is not unreasonable. Very difficult to measure and prove for sure!...
- The 100°C you did measure like you said was for the bronze ring and not directly the fumes. Must already be some significant differences between the two.
- The Ø28mm copper chimney tube on your machine is long and acts definitely as a very sizable radiator. So there will be certainly quite a temperature drop along that tube.

I shall correct my writing to make clear that story of exhaust point and related temperature.

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Derek questionnait la température des fumées à la sortie que j'avais mentionné être entre 200 & 300°C. Il a fait quelques mesures sur le collier en bronze de son installation tout au bout de sa cheminée: Résultat autour de 100°C

Réponse:
- On ne parle pas de la même chose... Je n' ai sans doute pas été très clair lorsque j'ai parlé de température des fumées en sortie. Je voulais parler de la température des fumées tout au bout du tube foyer et non à la sortie de la cheminée sur l'atmosphère. Ce qui arrive aux fumées au-delà de ce point n'a plus d'impact sur les performances de la chaudière.
- Or en ce point, la température des fumées ne peut pas être inférieure à celle de l'eau environnante, disons 140°C à nos pressions habituelles. Et ça ce serait pour une chaudière parfaite avec une efficacité de 100%... Ce dont on est quand même assez loin dans nos installations.
- Je confirme donc que mes valeurs de 200 à 300°C me semblent raisonnables.
-De plus, Derek mesurait non pas la température des fumées en sortie mais celle de l'anneau de bronze en haut de cheminée. Il doit déjà il y avoir là une différence non négligeable. Interfaces fumées/cuivre + Cuivre/Bronze + bronze/air.
- Le tube cheminée Ø28 fait une belle longueur et représente un bon radiateur avec sûrement un gradient sensible de température entre bas et haut.
Je corrigerai mes écrits pour être plus clair...

Salut,

Le tableur étant bien avancé, j’ai voulu m’en servir pour réaliser différentes simulations. C’est quand même la justification principale d'avoir créé le tableur: Pouvoir rapidement et confortablement faire toute la suite des calculs...
Mais je me suis vite fatigué de devoir  noter sur un bout de papier les différents résultats pour les comparer.

• J’ai donc créé une feuille pompeusement nommée « Analyse », dotée d’une petite macro, et dont le seul rôle est de collecter les résultats principaux des différentes étapes d’un calcul. Trois boutons : L’un pour collecter les infos dans les différentes feuilles du tableur, le second pour effacer toutes les colonnes sauf la première (à priori la référence) et le troisième pour tout effacer et ré-initialiser.

Pour ce que j’ai appelé « Config. De base », c’est à dire celle développée tout au long de la construction du tableur, voilà ce que cela donne :

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Vitesse du bateau : 3,6km/h ;  Diamètre hélice : 65mm ; Pas hélice : 66,6mm ; Pression nominale chaudière : 3 bars ; Cylindrée moteur : 3cm3

Je me servirai de ces valeurs comme référence pour tester d’autres configurations. Il est bien entendu que la précision de ces résultats n’est pas absolue. Beaucoup de formules simplifiées et coefficients approximatifs. Mais les comparaisons entre configurations devraient rester valables et suffire à orienter les choix.

• Je me suis posé quelques questions sur le choix de l’hélice :
- Étant donné que le moteur choisi a une puissance supérieure au besoin, quelles seraient les conséquences d’une navigation à pleine puissance, avec cette configuration, sur le dimensionnement de la chaudière ?
- Devrais-je vraiment changer d’hélice lors de la conversion d’électrique vers vapeur et remplacer l’hélice actuelle Ø60mm au pas de 53,3mm par la 65mm au pas de 66,6mm ?
- Quels seraient les avantages à passer à une hélice de 70mm au pas de 71,1mm sachant qu’il faudrait adapter le diamètre de l’arbre ?
Pour chacune de ces questions, j’ai changé les valeurs concernées dans le tableur et collecté les résultats sur la page d’analyse. Très simple et rapide à faire, quelques minutes….

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- Pouvoir naviguer à pleine puissance du moteur pendant 20mn : La surface de chauffe devrait être augmentée de 1,49dm2 à 1,78dm2 ce qui fait quand même pas mal et la contenance utile passée de 119 à 142cm3. Impact très significatif sur l’encombrement de la chaudière. On peut garder ces chiffres en mémoire pour voir ce qui est possible dans le contexte de la Seekadett où la place est comptée.

- Conserver l’hélice de la version électrique (Ø60, pas 53,3) aurait des effets encore pires sur l’encombrement de la chaudière. Donc, oui il faut impérativement changer l’hélice.

- Le passage à une hélice de 70mm, pas de 71,7 apporterait une légère diminution de la surface de chauffe (1,39dm2 au lieu de 1,49) et de la capacité utile de la cuve, 111cm3 au lieu de 119. Ce n’est sans doute pas la peine de lancer les modifs de l’arbre pour ces faible gains (7%). On reparlera d’ailleurs du diamètre de l’hélice.

Je confirme donc le choix d'une hélice de Ø65mm, pas 66,6mm...

Un exemple de ce que l'on peut faire rapidement et facilement avec le tableur.

Et le tableur mis à jour:

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Marcel.
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