Höyrykattiloita ja -mäntäkoneita siis myy ainakin Saimaan Steam Power (http://www.steam-power.net/). Mutta isoimmissa kauppalaivoissa oli aikanaan tapana laittaa mäntäkoneen lisäksi höyryturbiini potkuriakselille. Tämä koska mäntäkone ei hyödynnä kaikkea sille syötettyä höyryenergiaa. Turbiinilla nostettiin hyötysuhdetta hiukan. Mm. Titanic oli laiva jossa pääkoneen potkuriakselilla oli matalapaineturbiini.
Nyt ihmettelenkin jos hupiveneeseen olisi mahdollista laittaa moinen järjestelmä.
Mäntäkoneista myös sen verran että nehän tehdään vanhojen mallien mukaan ensisijaisesti nostalgikoille. Eikö olisi mahdollista mistään ostaa niistäkin vähän uudempia malleja?
Nyt ihmettelenkin jos hupiveneeseen olisi mahdollista laittaa moinen järjestelmä.
Mäntäkoneista myös sen verran että nehän tehdään vanhojen mallien mukaan ensisijaisesti nostalgikoille. Eikö olisi mahdollista mistään ostaa niistäkin vähän uudempia malleja?
Vastaukset 20
Vanhimmat
Höyrykone mäntäversiona on aikansa elännyt. Surkea hyötysuhde tästä pääsyy. Fysiikan kirjan kohta termodynamiikka kertoo enemmän miksi näitä tehdään ainoastaan nostalgikoille. Lyhyesti siis: ei ole järkevää tehdä koska luonnonlait tulevat vastaan.
Höyrykoneessa on saadaan helposti p-aineen hyötysuhde paljon paremmaksi kun normaalissa polttomoottoreissa.
Mikäköhän hyötysuhde on saavutettavissa höyrykoneella?
Lainaus: http://www.mikebrownsolutions.com/steamart.htm
"Admittedly, the internal combustion engine (a steam engine uses external combustion) is more efficient. An automobile engine will work at about 25-28% efficiency. A steam engine will work at only 5-8% efficiency."
Katso myös: http://electron4.phys.utk.edu/141/nov17/November17.html
Ja mikäköhän olisi kattilan hyötysuhde? Hyväkin kattila jälkipoltotta niin ehkä 70-80%, olettaen siis kinteätä polttoainetta. Taitaa yhteishyötysuhde jäädä aika huonoksi.
Esim. nykydieselillä pääsee helposti tuonne 45% hyötysuhteeseen.
Heti esimerkkikattilan hyötysuhde on 95%: http://www.steamrator.fi/
Mitä dieselkoneen hyötysuhteeseen tulee, niin lähemmäs 50% ei pääse kun isot, megawattiluokan laivakoneet ja dieselvoimalaitokset. Laivoissa on koneet mitoitettu yhtä matkanopeutta varten (jossa h-suhde on siis optimissa), ja voimalaitoksissa käytetään hyväksi myös koneen hukkalämpö.
Pienvenemoottorit ei pääse lähellekään noita lukemia, automoottoreista puhumattakaan.
Mainitsin kiinteäällä polttoaineella tuosta kattiloista, syystä että yleensähän nämä nostalgikot haluavat klapeilla tai hiilellä liikkua!
Kaasullahan pääse korkeisiin hyötysuhteisiin (riippuen laskentatavasta, esim. saksalaisittain laskettuna uimaallaslämmityksenä jopa yli 100%) eteenkin jos paluuveden lämpötila höyrykoneesta on alhainen, mikä tosin ei ole tilanne.
Toi 95% esimerkki siis ei ole kytkettynä höyrykoneeseen vaikka kaasuakin olisi käytettävissä. (LNG tankkeri huviveneenä. Ha haa.) Eli edes teoriassa et kyllä löydä yhdistelmää höyrykone ja kattila missä kattilan hyötysuhde höyryn tuotossa olisi edes lähellä mainitsemaasi lukua.
Isot dieselit pääsee tosiaan 50% hyötysuhteisiin (2-tahtiset hieman yli 50%, 4-tahtiset hieman alle 50%). Dieselvoimalaitkosissa harvoin käytetään koneen hukkalämpö sähkön tuottamiseen (eli löytyy luokkaa 10 sellaista voimalaa maailmassa, josta yksi suomessakin). Näissä hyötysuhde siis n. 55% sähköntuotossa.
Kombilaitoksia missä otetaan lämpö talteen lämpönä niin raskailla öljyillä kokonaishyötysuhde jää tuonne 85% korville ja kaasumoottoreilla lähennellään 95% riippuen tietysti paluulämpötilasta. Näitäkin löytyy suomesta.
45% kun kirjoitin tarkoitin siis mattimeikäläisen kokoluokassa olevia uusia dieseleitä (suoraruiskuja) jotka löytyy vene (tai autokäytöstä).
Sanomattakin selvää on että pensavehkeet ovat tästä huonompia mutta nekin päihittävät höyrykoneet mennen tullen.
Suosittelisin edelleen hieman fysiikan oppikirjojojen lukemista.
Perun edellisen viesti hyötysuhteen huvikäyttöön tarkoitetuilta dieseleilien osalta. Niiten hyötysuhteet ovat siis tosiaan alle 45%. Muistikuvani hyötusuhteesta ovat siis hieman järeämmistä kalastusaluksista.
Esimerkkinä huviveneilykoneistä olkoon vaikka volvon koneet: www.volvo.com. Katso kohta volvo penta ja tuotelehtiöitä dieselkoneista.
D1-20 tuotelehdestä luettavissa:
2800rpm, 9kW, 3.0l/h
joka siis tarkoittaa 31% hyötysuhde (dieselin tiheys 0,82 ja lämpösisältö 42.6MJ/kg)
Vastaavasti hieman isompi kone:
D6-280: 3000rpm, 37 l/h, 138kW -> 38%
Eli isoissa huvivenekäyttöön tarkoitestuissa koneissa jäädään siis hivenen alle 40% tasoon. Nämä ovat kehitettyjä tehon tuottamiseen ja kulutus varmasti vasta toissijainen päämäärä toisin kuin ammattikäyttöön tarkoitetuissa koneissa (esim. traktorit)
Joka tapauksessa tuohon höyrykoneeseen/kattila yhdistelmän kokonaishyötysuhteeseen joka on n. parin % luokkaa on vielä rutkasti matkaa.
Höyrykoneet vaativat höyrykattilan jota ei saa käyttää kuin sellainen henkilö jolla on pätevyys hoitaa painekattiloita, kuten konemestari tai vastaava.
Joten jos sinulta ei löydy sopivaa koulutusta ja lupia niin unohda koko höyryhommeli.
Riittää kun osoittaa tarkastajalle osaavansa sitä kattilaansa käyttää. Huviveneen kokoisessa laitoksessa ei tarvitse mitään koulutusta.
paineastialain mukaan paineastia on yli 50 baarilitraa ylittävä astia. eli paine kertaa tilavuus on alle 50.
Käsitykseni mukaan nämä harrastelijakoneet toimivat melko alhaisissa paineissa (6-8 baria?) joten tuo raja 50 voidaan kyllä teknisesti alittaa. "Kattila" on oikeastaan väärä nimike, suurin osa tilavuudesta on putkia (lämmönsiirtopinnan suurentamisen ja ainepaksuuden pienentämiseksi).
Paineasti on rekisteröitävä ja viranomaset tarkistavat sen säännöllisesti (tarkistetaan ulkoinen kunto ja koeponnistetaan). Mitään erityistä koulutusta sen käyttö ei vaadi (tuo konemestarijuttu on täyttä roskaa), kunhan työnantaja on antanut yleisessä työturvallisuuskoulutuksessa tietoa sen käyttöön liittyvistä vaaratekijöistä. Jos yksityiskäytössä, kaikki tapahtuu omalla riskillä.
Paineastia täytyy myös olla suunniteltu painaastia-asetusten mukaisesti (ainevahvuudet, hitsaussaumojen etäisyydet toisistaan, laippojen kiinnitykset ym.ym.). Hitsaajalta vaaditaan myös muodollista lupakirjaa.
Tuo hyötysuhdehöpinä on niin lapsellista että sitä tuskin kannattaa kommentoida. Itse kattilan hyötysuhde on melko korkea (miten suuri osa polttoaineen teoreettisestä lämpösisällöstä siirtyy veteen), n 65-85 % (korkeammat avot koskevat teollisuuskokoisia laitoksia joissa on syöttöveden esilämmitys (ekonomizer).
Miten suuri osa tästä höyryn teoreettisesta energiasta voidaan muuttaa mekaaniseksi työksi on sitten aivan toinen asia: Termodynamiikan lakien mukaan (ns Carnot-prosessi) tämä suhde on:
1-TC/TH
jossa TC on lauhtumislämpötila ja TH on höyryn lämpötila, molemmat Kelvin-asteissa (Celsius+273.15). Tämä laki ei koske ainoastaan hörykoneita ja -turbiineja vaan kaikkia fysikaalisia prosesseja (myös polttomoottoreita).
Kaavasta nähdään helposti että hyötysuhde nousee kun höyryn lämpötilaa (ja paine) nostetaan. Siksi teolliset kattilat toimivat erittäin korkeassa paineessa (n 100 baria), ainoastaan materiaalikysymykset estävät siirtymistä vielä korkeampiin paineisiin.
Näin korkeapaineista höyryä on teknisesti vaikeaa hyödyntää höyrykoneessa (virtausnopeus ventiileissä ylittää äänen nopeuden, "äänivalli rikkoontuu" ynnä muita teknisia ongelmia.) Turbiineilla näytä ongelmia ei ole.
Siksi teollisessa ympäristössä tubiinilla on korkeampi hyötysuhde. Matalassa paineessa hyötysuhde on samaa luokkaa (surkeaa kummassakin tapauksessa):
esim 6.5 barin höyry on 160 'C (433 K). Jos lauhtumislämpötila on 20'C (293 K), eli meriveden lämpötila, saadaan teoreettiseksi hyötysuhteeksi
1- 273/433= 37 %
Tästä kun vielä vähennetään kattilan hyötysuhde 75%5 % ja itse koneen hyötysuhde (kitka, lämpöhäviöt ym) 90 % saadaan kokonaishyötysuhteeksi 24 %. Tämä on ikävä tosiasia! (jos mennään korkeimpiin höyrypaineisiin numerot tietysti muuttuvat)
Polttomoottorin (Otto-moottorin) hyötysuhde vaihtelee 25-40 %, 2-T laivadieselin hyötysuhde lähentelee 50 %, Stirling-moottorin hyötysuhde on n 30 %.
Eli teoriakin pistää vastaan höyrykonepuolella. Käytänössä tuo 20C lauhtumislämpötila ulostulopuolella käytänössä ei saavuteta ottaen kaiken lisäksi virtaushäviöitä yms. huomioon. Tämän päälle tulee sitten vielä lämpöhäviöt, mekaaniset kitkat yms. Eli höyrykone (ei siis turbiini) käytänössä ei saavuta läheskään teoreettista hyötysuhdetta kaavasi mukaan jossa nämä ei ole otettu huomioon.
Herra Dieselikin joutui näille käytännön asioille "nöyrtymään". Hänhän laski että dieselin hyötysuhde saataisiin erittäin korkeaksi eli tuonne yli 80% luokkaan. Hän kuitenkin ajatteli aloittelevansa hieman maltillisemmin ja rakensi ensimmäisen dieselkoneen tavoitteena 70% hyötysuhde. Hänelle valkeni aika nopeasti koneen käynnistäessä että materiaalin kestävyys ei riittänyt edes tähän. Näin ollen hän joutui käytännössä hyötysuhdetta tiputtamaan vielä rutkasti. Tänä päivänä materiaalit (siis metallit) on kehittynyt tasolle että parhaat dieselit saavuttavat hieman yli 50% hyötysuhteen. Rajoituksena edelleen käytetyt materiaalit ja ehkä tänä päivänä vielä enemmän NOx päästöt jotka kasvavat korkeiden lämpötilojen myötä.
Eli asian ydin on siis miten korkeissa lämpötiloissa tai oikeastaan paineessa (painehan synnyttää voiman, ei lämpötila) liikutaan ja miten ales päästään. Noi höyryjen paineet / lämpötilat käytännössä ovat erittäin maltilliset polttomoottorin sylinterissä vallitseviin olosuhteisiin. (huippupaineet tuossa 180bar luokkaa ja lämpötilakin >1000C)
niin huomaat että kyllä minä karkeasti mainitsin ja huomioin kattilan ja itse koneen hyötysuhteita. Lämpöhäviöt ja virtausvastus korkeissa paineissa tuli myös mainittu. Virtausvastus tapahtuu lähinnä koneen luisussa (putkietäisyydet ovat niin lyhyitä että painealennusta ei juuri satu niissä) ja se on sisälletty koneen hyötysuhteseen.
"minun kaava" ei ole minun, se on herra Carnot'in, ja se perustuu siihen että systeemin entropia ei lisänny (mikä on mahdottomuus vaikka melko lähelle nolla voidaan päästä). Tällaiselle keskustelupalstalle kaava on kuitenkin riittävän tarkka.
Totta on että lauhtumislämpötila 20 'C on alhainen ( lämmönvaihdin vaatii lämpötilaeron ), mutta koska lämpötilat ovat Kelvinasteissa, hieman korkeampi lauhtumislämpötila ei sanottavasti vaikuta lopputulokseen.
Kaikki antamani arvot ovat "optimistisestä" päästä ja edellyttävät että kone ja kattila on suunniteltu oikein (väärin suunniteltuna niiden hyötysuhteet voivat laskea huimasti!). Tein näin koska halusin osoittaa että edes parhaassa tapauksessa päästään kovin korkeisiin hyötysuhteisiin.
Halusin myös osoittaa kattilapaineen merkitys hyötysuhteeseen, eli mitään "yleistä" hyötysuhdetta höyrykoneella ei ole.
Olen myös tietoinen herra Dieselin yrityksistä siitä lähtien kun hän rakensi ensimmäisen, maapähkinäöljyllä toimivan, koneen. Keskustelu keraamisista männistä jotka kestäisivät korkeampia lämpötiloja polttomoottoreissa on jatkunut vuosikymmeniä, eli myöskään tässä ei ole mitään uutta.
Näinhän se menee, eli mikäli entropia ei lisäänny. Käytänössä vaan ollan erittäin kaukana noista laudelämpötiloista höyrykonepuolella. Samoin kokonaishyötysuhteen pitäisi vielä laskea se jäähdytyksen hukkaama teho...
Käytänössä siis höyrykone jänee 5% luokkaan vaikkakin teoriassa pystyisi mainitsemaasi 20% luokkaan. Siinä mielessä sinulla oli oikein hyvä ja valaiseva esimerkki. Ja höyry kattilan painetasoa tietysti voi nostaa "taivaisiin" mutta näin ei käytänössä, kuten totesitkin.
Herra Dieselillä tosiaan ei ollut keraamisia mäntiä ja pakokaasukanavia. Näitä keraamisia osia löytyy jo muutamista koneista (porche ja muutama koekoneluontainen iso dieseli). Jokapäiväisiä eivät vielä ole ja tuskin tulevat olemaankaan haurauden takia. Samoin korkea lämpötila aiheuttaa NOx päästöjä joten kohtuus kaikessa.
Samankokoiset veneet samalla nopeudella höyryllä(jätepuulla) tai dieselmoottorilla,maksavat euroa/maili suunnilleen saman ,tulevaisuudessa höyry edullisempi, puhumattakaan desibeleistä.
mutta viestisi selvästi osoittaa että perustietosi ovat puutteellisia (opetin mm. termodynamiikkaa suomalaisessa teknillisessä korkeakoulussa ja olen luennoinnut exergiasta USA:n yliopistossa vierastutkijana 30 vuotta sitten).
Tutustu nyt aiheeseen paremmin, ja selvitä itsellesi mikä Carnot-prosessi on: Kommenttisi "Samoin kokonaishyötysuhteen pitäisi vielä laskea se jäähdytyksen hukkaama teho..." osoittaa sen että et ymmärrä hyttysen pölähdystä mistä on kysymys.
Juju on juuri siinä että kaikki potentiaalinen liike-energia ei voida hyödyntää!! Ajattele vaikka tuulivoimalaa. Jos tuuli puhaltaa seinää vastaan, se ei tuota mitään energia (teho=0). Jos sen nopeutta ei hidasteta lainkaan, se ei myöskään tuota mitään energia. Herra nimeltään Betz (nyt saattoi tulla kijoitusvirhe, muita virheitä en tietääkseni toistaiseksi ole tehnyt) osoitti teoreettisesti että suurin osa tuulen liike-energiasta mitä voi muuttaa hyötykäyttöön on n. 2/3 osaa (kutsutaan Betzin laiksi, vaikka oikeampi nimike olisi Betzin teoreema, koska se perustuu täysin tunnettuihin termodynamisiin laskelmiin). Carnot-prosessi voidaan myöskin tarkastella toisesta näkökulmasta, miten paljon liike-energia pitää syöttää systeemiin saadakseen aikaan lämpötila-eroja (esim jääkaappi, lämpöpumppu, vortexputki ym toimivat täysin tämän periaatteen mukaan. Tein väitöskirjaani aiheesta "simulation of refrigeration circuits" joten jos olet toista mieltä, tavataan tiedeyhdyskunnan parissa. Kuitenkin on taas kysymys samasta Carnotprosessista.
Idea on juuri siinä, kaikki energia ei voida vapaasti muuttaa muodosta toiseen (mekaaninen, lämpö) ilman tappioita. Nämä tappiot ovat teoreettisesti laskettavissa.
Kommenttisi "Samoin kokonaishyötysuhteen pitäisi vielä laskea se jäähdytyksen hukkaama teho..." on totta, sitä juuri yritän selittää. Ellei ole lämpötilaeroja, on mahdotonta saada mitään hyötyenergia mistään systeemistä. Kaikki perusttuu siihen että löytyy lämpötilaeroja! Mailnan meret peittävät 75% planetamme pinnasta ja niiden lämpösisältö on valtaava (niin on myös niiden kultamäärä, pitoisuudet vaan ovat kovin alhaíset).
Ehdotan nyt ystävällisesti että perehdyt aiheeseen hieman paremmin, seuraavan kerran vastaan ehkä hieman terävämmin.
Kiitoksia vastauksistasi. Edelleen on kuitenkin käytäntö tuolla höyrykonepuolella aika kaukana teoriasta.
Se teoria puoli:
Höyrykoneesta ei tule ulos lauhdetta 20C vaan se on höyrymuodossa ja tuskin noin alhaisessa paineessa (0,02bar). Lämmönvaihtimessa sitten se vedetään lauhteeksi jolla toi esimerkkisi hurja alipaine saadaan aikaiseksi.
Kattilassa sitten taas lämmitetään vesi (siis polttoaineella) jonka jälkeen höyrystetään. Tähän höyrystymiseen tarvitaan edelleen energiaa.
Eli prosessi:
Höyrykoneeseen syötetään 6bar höyryä
entalpia=2750kJ/kg
ulos tulee 0,02bar höyryä
entalpia=2540kJ/kg
erotus: n. 210kJ/kg
Tämä on siis hyödynettävissä mekaaniseen tehoon.
lauhtimessa lauhdutetaan 0,02bar höyry vedeksi 20C asteessa:
lauhdutus: 2450kJ/kg
Kattilassa lämmitetään 20C vesi 160C vedeksi ennen lauhtumista:
4,19kj/kgC*(160-20)C=n.590kJ/kg
Höyrystetään paineistettu 6bar vesi:
2080kJ/kg
Yhteensä siis käytetty energiaa n. 2670kJ/kg (siis kg vettä)
kun hyödyksi saatu oli: 210kJ/kg
Sinulla kun on niin hyvä teoreettinen pohja ja jopa opettanut jenkkejä 30 vuotta sitten niin voisit varmasti valaistaa missä meni pieleen tai menikö ja voisit samalla laskea että mitäköhän on teoreettinen hyötysuhde esimerkkitapauksessasi mikäli oletetaan että missään vaiheessa prosessia ei tapahdu lämpöhäviöitä, painehäviöitä eikä mekaanista häviötä.
Ymmärän hyvin että tämä hellesää on hieman pehmentänyt sekä sinun että minun aivoja ja jäähdytystä tosiaan tarvitaan. Mahtoiko muuten olla niin että olit itse hieman laskenut toisin päin, jääkaapissa kun toi lauhteenlämpö on se mitä käytetään toisin kuin höyrykoneessa.
Tuulivoima nyt ei tähän liity joten jätän sen kommentoimatta. Todettakoon kuitenkin että tiedossa on miten tuulivoima toimii sekä käytännössä että teoriassa.
Kirjoittakaa edes samalla nimimerkillä että pystyy seuraamaan keskustelua,minä kerroinkin mitä on käytännössä prosessit.
Sorry, viestit jotka kirjoitettu otsikko/nimimerkki yhdistelmällä
Jaa / mikäköhän taso...
sekä
ihan hyvä / mutta....
ovat peräisin samalta näppikseltä.
Mielenkiintoinen kommentti, samankoikoinen ja samaa nopeutta..
Mistä löydän noin käytännössä esim 27 jalkaisen plaanaavan höyryveneen?
Tuollainen uppoumarunkoinen dieselkoneella varustettu esim. 7 metrinen vene kuluttaa n. 0.3l/nm. Tänä päivänä (ja toivottavasti tulevaisuudessakin) sellainen kulkee kevyemmin verotetulla polttoöljyllä jonka hinta n. 0.7EUR/l. Eli hinnaksi muodostuu siis n. 20cnt/nm eikä 1EUR/nm. Jos veneen pituutta kasvatetaan tuonne 12metriin ja pysytään edelleen maltillisessa 5-6 solmun nopeudessa niin ollaan edelleen alle 1EUR/nm. Nopeutta nostaessa 7-8solmuun kustannukset diesellillä kasvaa tuonne 1EUR/nm paikkeille. Siinä tosin jätepuulla toimiva laite joutuu jo kuljettamaan mukanaan sen verran polttopuita että tuskin jää kovin paljon nukkuma yms. tilaa jäljelle.
Kun sitten mennään toiseen ääripäähän, lentotukialukseen joka tosiaan kulkee höyryturbiineilla niin dieseli ei tule kyseeseenkään. On nimittäin helpompaa kuljettaa mukanaan omaa ydinvoimalaa kun raskasta öljyä kun tavoitellaan pitkää toimintasädettä isolla teholla. Vielä kärjistetympi on tilanne isossa sukellusveneessä jossa ei ole saatavilla ilmaa dieselille, siinäkin ydinvoima on kova sana höyrynkehittäjäksi. Näissä tosin ollaan aika kaukana tuosta höyrykoneesta joka toimii mäntäperiaatteella.
Jäi mainitsematta nopeus,tarkoitin tietysti runkonopeutta ,mikä lienee itsestään selvää kun puhutaan höyrypaatista ja euroa/euro maili on ilmiselvä ero.
toisaalta minulle höyrykone ( vene 9 on harrastus, ja sen ei olekkaan tarkoitus olla mikään energian-
säästövehje, lähinnä kysymys on vaihtoehto-energiasta ;))