Chaudière "à la Kingdon" pour chaloupe "X" à roues à aubes

Salut,

Dans notre projet global de chaloupe à roues à aubes nous avons défini (et construit) les roues à aube, un moteur (en cours de finition) et une coque (proto latté). Il nous manque un dernier élément essentiel: Une chaudière.

- Toujours dans la ligne de faire des choses un peu différentes nous avons décidé de partir sur l'idée d'une chaudière verticale à la "Kingdon". Je dis "à la", car la vraie "Kingdon" était à foyer horizontal et tubes de fumée.

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Nous envisageons plutôt une chaudière verticale certes mais avec foyer vertical et tubes d'eau. Seul le look extérieur ressemblera à celui de la vraie "Kingdon", un peu en "château d'eau"...

- Avant de nous lancer dans le dessin, il faut estimer les deux paramètres de base de toute chaudière: La capacité utile et la surface de chauffe. Nous allons pour celà utiliser le calculateur "VapCalc" en en détournant un peu les fonctions.

• Vitesse du moteur :
Pour les consommations vapeur, la vitesse de rotation des roues est le facteur clé, facteur malheureusement assez mal documenté dans la littérature... On trouve des recommandations qui vont de 60 à 200trs/mn !!!!
- La majorité est entre 100 à 150trs, en précisant que 150 c’est pour avoir une petite réserve... Perso je penche plutôt pour 100 à 120 au grand maximum ...
- Pour se faire une idée de ce que ça représente en vitesse du bateau, on peut calculer la vitesse tangentielle des aubes. Le centre des pales de nos roues est sur un diamètre de 110mm. Ce qui donne pour la vitesse tangentielle :
- 2 km/h à 100trs/mn
- 2,6 km/h à 130trs/mn
- 3km/h à 150trs/mn
En vitesse stabilisée et dans un monde parfait sans glissement ce serait aussi la vitesse du bateau. Et pour une chaloupe de rivière ou lac à l’échelle maquette ce serait déjà largement suffisant.
Par contre en réalité ce sera moins... De combien, je ne sais pas... 20 à 30% peut- être... On serait donc entre 1,6 et 2,2 km/h. En promenade...

J’ai donc fait les calculs vapeur à 130tr/mn ce qui donne avec une démultiplication raisonnable de 4 autour de 530trs/mn pour le moteur.

• Sur la feuille "Vitesse" de VapCalc, on joue avec la vitesse du bateau (case verte), en ignorant toutes les autres jusqu'à obtenir la vitesse de rotation souhaitée au final (case bleue): 534trs/mn.

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• La deuxième info à entrer est la cylindrée du moteur. Philippe m' a communiqué les caractéristiques du moteur: Alésage de 10,5mm et course longue de 13,86mm pour privilégier le couple. On passe donc à la feuille "Moteur" de VapCalc et on entre ces données. Résultat: Une cylindrée de 4,7cm3. On ignore royalement le reste des infos de la feuille.

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• On passe à la feuille "Vapeur" et nous y définissons la durée de navigation souhaitée à plein régime: 30mn... C'est déjà pas mal!

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Et nous avons nos paramètres clés:
- Surface de chauffe mini : 1,02dm2
- Capacité utile pour 30mn à plein régime : 122cm3 élevé à 180cm3 pour tenir compte de « l’eau manquante »

Histoire de voir ce que cela donnerait et définir une marge pour le dessin, j' ai refait le calcul avec 600trs/mn (donc 150 à la roue):
- Surface de chauffe mini : 1,14dm2
- Capacité utile pour 30mn à plein régime : 137 cm3 élevé à 206 cm3 pour tenir compte de « l’eau manquante »

Voilà, voilà... On va pouvoir dessiner...

Salut!
Excellent exposé comme d'hab !
Vaut mieux dessiner de ce temps, parce que la colle ne sèche pas vite!
J'attends d'avoir les dimensions exactes pour parfaire son implantation ainsi que celle de la machine dans le Duguesclin!
En attendant, rien n'empêche de preparer les agapes en comité restreint bien sûr!
On va économiser sur le foie gras et le Champ!!
A bientôt !
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Salut,

Avant de dessiner, quelques autres détails à régler quand même...

• La suite de calculs à faire pour tester une géométrie donnée n'a rien de bien compliquée. Ce ne sont que des calculs de surface de cylindres et de volumes. Mais très répétitifs et longs à faire...  J'ai donc procédé comme pour les chaudières horizontales et j'ai ajouté une feuille de calcul à "VapCalc": "Chaudière.Vert." Pour ce faire j'ai dessiné un modèle standard de ce que nous souhaitons et qui définit les paramètres de base nécessaires aux calculs: Hauteur et diamètre des cuves, tubes foyer et d'eau, nivaux d'eau, etc... Voilà ce que ça donne:

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• On voit immédiatement sur le schéma que l'on met pas mal de choses dans le tube foyer. Est ce que l'on ne réduit pas trop la section libre pour la flamme et les gaz? Combien de tubes d'eau peut-on raisonnablement mettre et comment les positionner? Pour me faire une petite opinion, j'ai fait quelques dessins et calculs rapides sur la base d'un diamètre de tube foyer un peu standard de Øext 32mm et des tubes d'eau de Øext 6mm. Les différents versions que j'ai tentées sont résumées sur le schéma ci-dessous:

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• 4 versions, 2 avec 6 tubes et 2 avec 8 tubes...
- Finalement, la V1 avec 6 tubes, laissant un espace d'environ 3mm entre chaque tube d'eau et entre les tubes et la paroi du foyer, me paraît la plus homogène....
- La V2 aurait l'avantage de rapprocher les tubes du centre de la flamme mais l'espace entre tubes me paraît un peu faible.
- La V3 et la V4 avec 8 tubes laissent peu de place entre tubes et obligent à les "pousser" vers la paroi du tube foyer (d'où probablement des problèmes pour loger les coudes...)

• Du coup on peut comparer la section du tube foyer laissée libre avec celle d'une configuration classique avec tubes d'eau transversaux: C'est du pareil au même dans les versions à 6 tubes (voir schéma)... Ça ne devrait donc pas poser de problèmes.

• Avec les tubes positionnés selon l'axe du tube foyer on augmente sensiblement la surface de frottement des gaz sur les tubes, ce qui ne peut qu'améliorer les échanges thermiques. On pourra également décaler les entrées hautes et basses des tubes, disons de 30° pour favoriser l'enroulement de la flamme.

• A voir selon les calculs de surface de chauffe si au final 4 ou 5 tubes ne suffiraient pas, mais qui peut le plus peut le moins....

• Dernier point: On voit immédiatement sur le schéma qu'avec ce type de chaudière verticale, et au contraire d'une chaudière horizontale, la surface de chauffe va irrémédiablement diminuer avec le niveau d'eau et ce dès le début de la navigation:
- C'est certain pour la surface mouillée du tube foyer
- Un peu moins pour les tubes d'eau où il y aura peut être un phénomène de circulation et de léger entraînement de la colonne d'eau.
Il faudra donc largement dimensionner la chaudière pour avoir une marge confortable sur la surface de chauffe...
Une pompe attelée maintenant le niveau d'eau serait sûrement un plus sympa....

Ca avance....

Salut,

La suite de du dessin de la chaudière... Avant de lancer les calculs de la géométrie, il est bon d' avoir une idée des tubes disponibles pour la réalisation.
- En France, je n'ai rien trouvé ni chez Tartaix ni ailleurs, à moins d'en acheter 5m....
- Au UK, j'ai trouvé à peu près ce je souhaitais chez Maccmodels ( [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien] au détail et à des prix raisonnables.
5 tailles de tube possibles pour la cuve en 1,6mm d'épaisseur: 4'' (101,6mm); 3''1/2 (88,9mm); 3'' (76,2mm); 2""1/2 (63,5mm).Avec une combinaison de ces diamètres, on doit arriver à un truc plaisant à l'oeil... Voilà pour les diamètres.

Pour la hauteur, il faut éviter de faire trop haut! Ça remonterait le centre de gravité et pourrait nuire à la stabilité de la chaloupe au roulis. Côté look, il me semble donc que l'on a deux possibilités (ou compromis comme d'hab...):
- Une version dite "3"1/2'' pour la cuve haute avec une cuve basse en 2''1/2
- Une version dite ''4'' pour la cuve haute avec une cuve basse en 3"
Et pour la hauteur je me suis limité à environ 135mm pour des raisons de CG, mais aussi de proportions et look général.
Enfin, après mûre réflexion nous avons décidé de chauffer via une torche et non avec un brûleur de type "poêle". Voilà donc le schéma général (version 4''):

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Le niveau maximum de remplissage est fixé à 70% (à froid) et le minimum au haut de la cuve basse.  J'ai donc fait tourner le tableur (page "Chaudière Vert.).
Voilà les copies des pages de calcul:

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• Dans les deux cas, la surface de chauffe est de 1,82dm2 en début de chauffe et de 0,98dm2 en fin de navigation. Il nous fallait 1,02dm2... Donc très large au départ, limite tout en fin de navigation. En fin de navigation je ne tiens pas compte du phénomène de circulation possible dans les tubes d’eau....
Les deux font très largement l’affaire. Bon, en fin de chauffe, il faudra sans doute réduire un poil les gaz... Mais de nouveau tout ce calcul est pour 130trs/mn... La seule façon d’augmenter la surface de chauffe en fin de navigation serait d’augmenter la hauteur de la cuve basse. Ce qui n’est pas souhaitable ni pour des considérations de hauteur du CG ni pour l’esthétique...
Avec la plus petite on a 30mn de navigation plein pot. Avec la plus grosse on passe à plus de 40mn...

Par contre différence sensible en poids entre les deux versions :
- Pour la 4 '', 1,35kg à vide, 1,87kg prête à naviguer
- Pour la 3,5’’, 1,17kg à vide, 1,5kg prête à naviguer.
Quand même une différence de 370grs.... Il pourrait être intéressant de prendre la plus légère et garder les 370grs pour les mettre en fond de coque et améliorer la stabilité.... A finaliser d'après les résultats de flottaison du proto d'Yves.

• J ’ai représenté les deux versions de chaudière in-situ avec les couples pour visualiser l’aspect esthétique. Les deux devraient être pas mal et ne font pas riquiqui... La 4" fait un peu plus "cossue".

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• Dernière remarque sur la position du centre de gravité: Sur la vue de la 4" j'ai indiqué la position du centre de gravité de la chaudière verticale pleine (en rouge) et la position approximative du centre de gravité d'une chaudière horizontale de même diamètre (en Cyan). La version verticale a quand même un CG situé plus haut d' environ 23mm. Pas négligeable...

Bon, on a à peu près tout pour avancer sur les dessins de détail...

salut!
Personnellement, je privilégie la plus grosse.
On doit avoir une bonne assise dans cette chaloupe. (qui n'en est pas une) .
Mais je trouve que les tubes bouilleurs partent de trop haut et que le coude nous bouffe de la surface.
Il nous faut voir à mettre un coude plus court et faire partir les tubes bouilleurs de plus bas. Quitte à en mettre un ou deux à l'opposé de l'entrée bruleur.
Je reste persuadé que la surface de chauffe ne diminue pas tant que ça si on considère que l'eau qui est prise en bas est chauffée sur toute la hauteur du tube.
Je ne sais pas comment on peut mesurer ou calculer ça mais je ferais comme pour un calcul classique de colonne hydrostatique d'une colonne bi-phasique ; en extrapolant les surfaces plutôt que les pressions.
Ca vaut ce que ça vaut mais la chauffe est définitivement plus importante que sur une chaudière classique conventionnelle.

A présent , il faut passer les fêtes et on verra aprés! On aura tout notre temps!
Bonne journée à vous!

Salut,

- J'ai pris un coude court standard 32mm. On aura du mal à trouver plus petit... De plus il ne faut pas créer un mur devant la flamme à la sortie du brûleur.
- Faire partir les tubes bouilleurs de plus bas serait bien sûr éminemment souhaitable... Je les ai dessiné ainsi pour simplifier l'assemblage en ne les mettant que sur la partie droite du tube foyer. On pourrait sans doute sans trop de difficultés en faire descendre quelques uns dans les parties latérales du coude et comme tu dis à l'opposé de l'entrée brûleur sans descendre trop bas pour ne pas gêner le développement de la flamme. A voir lors des dessins de détails et à la construction. Mais le gain de surface de chauffe ne sera pas aussi grand que ce que l'on pourrait imaginer... Dans la config dessinée, la surface des tubes bouilleurs ne représente que 35% de la surface active totale.
- Pour la sortie haute, j' ai choisi de la faire sortir dans le ciel vapeur partant du principe que l'eau dans les tubes sera majoritairement vaporisée dans les tubes une fois la chaudière stabilisée à température de fonctionnement. De toutes façons, même si on la baisse un peu, c'est dans cette configuration qu'elle sera dès que le niveau d'eau commencera à baisser...

Hello!
Tu as raison ! Ca n'apportera pas grand chose si on prend en compte que le coude lui-mème participe bien à l'ébullition.
On laisse comme ça et on commence à chercher le matos pour la construction.
J'en ai une sur l'établi qui attend le chalumeau, ça en fera deux , donc deux bouteilles!!
Bon appétit !

Bonjour!
Commençant à investiguer pour fabriquer cette chaudière, je me pose quelques questions depuis un moment.
Quand je regarde le centre de gravité qui est au dessus de l'axe des roues, je me demande comment va se comporter le bateau ?
Pas évident de lester comme sur un conventionnel . Il faut tenir compte de l'enfoncement de la roue.
Bon! On pourra toujours changer la chaudière pour une horizontale si ça ne le fait pas!
Bon réveillon!

Attention, on arrive chez toi pour la bûche !
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Hello,
A première vue comme ça on imagine aisément un centre de gravité plutôt élevé avec un grand volume d'eau au dessus du foyer. La quantité d'eau embarquée dans la chaudière conditionne le temps de fonctionnement + ce qui doit rester pour éviter une surchauffe du corps de chaudière. Pourquoi ne pas élargir le bas de la chaudière et rétrécir le haut pour abaisser le centre de gravité ? De plus la grande surface libre dans la partie haute va entraîner des carènes liquides, facteur aggravant la perte de stabilité.

Oui vous avez tout à fait raison!! En début de chauffe, avec la chaudière pleine, le CG est bien sûr plus haut que l'équivalent en chaudière horizontale. Je vous les ai indiqué (et chiffrés) sur l'un des dessins précédents. A noter qu'en fin de chauffe c'est plutôt l'inverse car il ya relativement peu de volume mort en partie basse... Le volume utile est en gros la partie haute.

L'histoire de faire l'inverse, plus large en bas qu'en haut, n'est pas envisageable pour la préservation du look qui est la raison principale de la tentative d'utilisation de ce modèle de chaudière...

Donc à mon avis, on teste. La coque de Yves est pratiquement finie. Dès que possible on la met à l'eau avec les roues en place, un moteur quelconque (y a le choix sur les étagères) un peu de ferraille pour simuler tank à gaz et déshuileur en fond de cale et l'un des modèles de chaudière verticale en magasin... Et on voit ce que ça donne....

Salut!
C'est vrai que j'ai fait une fixation sur ce type de chaudière que je trouve , non seulement très esthétique , mais aussi très performante.
La voix de la raison est évidemment de mettre une chaudière horizontale !
Ce qui sera fait si celle-ci ne donne pas satisfaction au niveau de la tenue de route !!
(En attendant, j'ai retrouvé mon couteau à huitres!!)
Bon réveillon à vous tous!

bonjour a tous
Wouah , je vois que ca cogite sec , en attendant je vous souhaite a tous un joyeux noël, et un bon réveillon .
bonne soirée
philbobo

Bonjour
Yves m'a patogoire est toujours en eau dans le jardin

Salut,

Bon, Noël au coin du feu derrière nous, on continue avec les dessins. Maintenant que l'on a une bonne idée des dimensions générales on attaque le 3D, histoire de voir comment tout ça se goupille et de commencer à imaginer la construction.

• Le premier élément est le tube foyer:
Très conventionnel: Tube cuivre de Øext32mm, ep.1mm et un coude court pour ramener l'entrée en façade et loger un brûleur de type "torche". La sortie est réduite pour accueillir le tube cheminée qui sera en laiton Øext28mm, ep.05mm.

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• Puis suivent les tubes d'eau en Øext6mm ep.1mm. L'entrée est mise juste au dessus du coude pour faciliter la construction. On pourrait au moins sur certains la placer un peu plus bas comme discuté précédemment. Les entrées et sorties sont décalées de 30° pour faciliter l'enrobage de la flamme. Les sorties sont dans le ciel de la chaudière. Voilà notre brassée de tubes. Les tubes de 6 devraient être assez facile à cintrer, donc pas de coudes rapportés:

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• Et voilà donc le foyer complet:

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• Notre éminent spécialiste en échanges thermiques, Bobino, m'a suggéré une autre solution qui a l'avantage de ne pas demander de perçage du tube foyer et donc sans risques de fuites après brasage.
- Il s'agit de remplacer les tubes d'eau par des ailettes. C'est le principe inverse du radiateur de voiture... Au lieu d'extraire des calories, on en récupère dans la flamme pour les transmettre à l'eau.
- Pour conserver les caractéristiques calculées de la chaudière, il faut que la surface des ailettes soit la même que celle des tubes d'eau. Les longueurs seront lidentiques et donc il suffit de comparer circonférence des tubes et largeur des ailettes:
Tube Ø6mm --> L = 18,8mm.
Les ailettes ont deux faces exposées à la flamme. Il faudra donc une largeur d'ailettes de 18,8/2=9,4mm.
Toutefois ce système de transmission de chaleur repose sur un brasage parfait des ailettes sur le tube foyer sur toute leur longueur. Par sécurité, il est plus prudent de prendre 10 à 20% de marge. Et donc des ailettes de 11mm de large iront très bien. Elles rentreront sans soucis dans le tube foyer de rayon intérieur 15mm.
L'épaisseur n'a pas d'importance. Toutefois des feuilles de cuivre de 0,5mm ne tiendront peut être pas longtemps dans la flamme (corrosion thermique) . Je pense que 1 ou 1,5mm serait plus prudent et aussi plus facile à braser.
Voilà de que cela donne:

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C'est une solution  assez séduisante.  Je ne l'ai jamais vue sur une chaudière. Et comme sur cette chaloupe tout est super custom, je suis plutôt tenté... Tout repose sur le brasage des ailettes... Donc à voir et discuter avec mon braseur préféré!!!

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Bonsoir,
C'est vraiment passionnant de suivre toute cette conception !
Bonne continuation

Dans la chaudière à ailettes la surface de contact a la flamme est la même que la version à tube, mais la surface de contact avec l eau est nettement inférieure du coup j ai du mal à imaginer que le transfer de chaleur soit aussi efficace sachant que la température de la parois du tube ne sera jamais supérieure à celle de la vapeur.
Mais je me trompe peut être, ce n est qu une intuition

bonsoir!
Voilà un sujet clair et bien développé qui nous en apprend toujours beaucoup!
Concernant les ailettes, j'ai le mème raisonnement que Scyllias et je suis dubitatif !
Mais les lois de la thermodynamique m'ont tellement surpris que plus rien ne m'étonne dans ce domaine. La logique de cette science n'étant pas toujours évidente , je me suis péter plus d'un claxibule à essayer de comprendre!
Bobino nous ayant démontré ses connaissances en la matière (c'était son métier) que je lui fais confiance .
Mais .... tout de mème .... surprenant!
Cela n'empêche qu'il va falloir tenter la chose.
Sur ce, patriote que je suis, j'ai renfloué la trésorerie de mon poissonnier, de l'écailler ,du boucher charcutier , du marchand de pinard et du pâtissier local , je me sens un peu lourd et je vais me coucher!!
Demain je crois que je vais faire travailler le marchand d'orviétans!
A bientôt!.... si je survis !!

Oui, je sais ça paraît un chouïa bizarre mais on oublie aussi bien souvent que le premier et principal problème d'une chaudière n'est pas de passer les calories à l'eau mais bel et bien de piquer les calories aux gaz de combustion chauds!!! D'où les éternels dilemmes entre freinage des gaz et tirage, etc...
Je ne sais pas vous faire un truc un peu technique simple pour expliquer les ailettes et convaincre les St Thomas.... On tombe tout de suite dans des équations plutôt ardues.... Alors oui je fais confiance aux connaissances étendues de l' ami Pierre et éventuellement essayer...

C, est sur ideal serait de faire les 2 chaudières et de comparer...
Le brasage des palettes a l intérieur du tube ne va pas être chose facile non plus...

Bonjour à tous
Les ailettes , c'est à dire des  parties d'échangeur en contact avec un seul des fluides  sont d'un usage courant . Un des avantages est de ne devoir  résister qu'à un des fluides  ( pression ou corrosion)
Ces surfaces transmettent la chaleur de deux façons , si elles ne  sont pas liées à la surface de l' échangeur elles agissent par rayonnement , cet effet n'est utile qu'au de 5 ou 600 ° C ce qui n'est pas notre cas .
Lorsque les coefficients d'échange sont très différents , si l'ailette est liée à la surface d'échange  ( étamage , galvanisation  etc  ) pour tenir  compte de  la
différence de température entre la tête et le pied de l'ailette  on  ne compte que 70 à 80 % de sa surface .
Le coefficient d'échange coté fumée est entre autres fonction inverse du diamètre , si le passage n'est pas rond  le critère de comparaison est  le diamètre hydraulique   égal à 4 x section de passage / périmètre  qu'il faut équivalent pour avoir la même perte de charge de la fumée .
Ceci n'est valable que pour un passage parallèle  de la fumée

Hello,
Les tubes d'eau sont très efficaces car la circulation par siphonnage active la convexion et donc l'échange thermique entre les gaz de combustion et l'eau de la chaudière. Ce siphonnage ne peut avoir lieu que si l'extrémité supérieure du tube d'eau dépasse peu au dessus de la surface de l'eau. Si le niveau de l'eau baisse de trop, l'effet siphon risque de s'arrêter et le rendement de la chaudière va chuter sérieusement. C'est ce qui risque de se passer avec la chaudière Kingdon dont le niveau d'eau en fin de chauffe est quand même très bas. Est-ce qu'il ne serait pas possible de faire un foyer avec une section en étoile (au lieu d'une section cylindrique) à l'aide d'une tôle pliée en accordéon, toujours dans le but d'augmenter la surface d'échange ?

Sinon une autre solution serait de réduire considérablement la quantité d'eau contenu dans la chaudière et de maintenir un niveau constant à l'aide d'un petit cheval.

Salut,

Oui JPA, le rendement de la chaudière baissera inéluctablement avec le niveau d'eau, en partie avec la disparition du siphonnage mais aussi avec la diminution de la surface mouillée. Je l'avais mentionné en passant dans un poste précédent. Le problème sera le même sur toutes les chaudières verticales à tubes de fumée aussi bien qu'à tubes d'eau. Idéalement il faudrait maintenir le niveau d'eau et donc mettre une petite pompe attelée qui, si bien calculée, asservirait automatiquement l'injection d'eau à la consommation.
Sur le modèle dessiné, j'ai partiellement contourné le problème en créant une surface de chauffe très au dessus des besoins en début de chauffe pour finir juste un poil en dessous en fin de navigation. Pas très élégant je le concède bien volontiers et le rendement se dégradera entre début et fin de navigation. Mais finalement on aura quand même nos tente minutes d'autonomie.
La surface de chauffe en début de navigation est déjà plutôt haute dans la config. actuelle et je ne pense pas utile d'aller au delà avec un foyer en étoile, un truc possible mais qui complique sérieusement la réalisation.

Nos messages se sont croisés.....

Bon on continue le dessin avec les cuves...

Rien de bien particulier:

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Et une coupe montrant les différents éléments in-situ:

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Et comme nous n'avons toujours pas tranché si ce sera une 4'' ou 3''1/2 (diamètre cuve haute), une vue de comparaison:

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Côté esthétique, la 4'' semble un peu plus plaisante... L'effet s'atténuera sans doute après habillage... A suivre...