sciencetalk

Beste mensen,
 
 
 
ik ben zelf een leek op het gebied van elektrotechniek dus stel ik mijn vraag graag hier.
 
 
 
Ik wil een apparaatje maken die stoom produceert op een kleine (lithium?) accu. Het apparaatje wil ik gebruiken om een bepaald materiaal kort te verhitten door het op en neer door de stoom heen te halen. De stoom die uit het apparaat komt moet een smalle geconcentreerde bundel zijn. 
 
 
 
Ik ben online een reisdompelaar tegengekomen. Deze wordt gebruikt om in de auto op de 12V aansluiting bijvoorbeeld een beker water aan de kook te brengen. Zie hieronder een afbeelding:
   
 
 
Deze reisdompelaar werkt op 12V spanning met een vermogen van 120W en 15A stroomsterkte.
 
 
 
Wat ik probeer te achterhalen is het volgende: 
 
 
 
Is het mogelijk om met een nader te bepalen grootte verwarmingselement een bepaalde hoeveelheid water in een bepaalde tijd aan de kook kan brengen met een nader te bepalen oplaadbare voedingsbron?
 
 
 
Hierin moet ik dus met een aantal factoren rekening houden:
 
 
 
- De maximale acceptabele tijd dat het apparaat stoom genereert is 1 tot 1,5 minuut
 
- Het apparaat mag eigenlijk niet veel groter worden dan 10 x 10 x 10cm
 
- De capaciteit van de voeding moet het apparaat in staat stellen het water minimaal 5/6 keer aan de kook te brengen en stoom te genereren voor ongeveer 10 seconden per keer. Dit is mede afhankelijk van maximale hoeveelheid water die in het apparaat gaat en de begintemperatuur van het op te warmen water.
 
 
 
Graag zou ik jullie mening, bevindingen en/of ideeën hierover horen. Of het überhaupt een haalbaar idee zou kunnen zijn juist helemaal niet.
 
 
 
Ik hoor het graag.
 
 
 
Bi voorbaat dank

Dnjepper schreef:  
 
Deze reisdompelaar werkt op 12V spanning met een vermogen van 120W en 15A stroomsterkte.
 
 

 
Dat sowieso niet, die drie getallen  kunnen onmogelijk allemaal kloppen, maar het kan er wel in de buurt zitten (bijv 12V/10A/120W). 
 
Maar over je feitelijke vraag: dat hangt er helemaal vanaf hoeveel stoom je nodig hebt, zeg maar hoeveel gram gedurende hoeveel tijd. Daarmee is uit te rekenen hoeveel vermogen en energie nodig is om water te verdampen - er is nogal een verschil tussen een druppel gedurende een minuut en een liter per seconde

Bedankt voor je reactie Benm,
 
Het gaat om een klein beetje stoom wat in een hele kleine bundel uit het apparaatje moet komen. Ik kan denk het best in eerste instantie kijken wat ik voor element en voedingsbron er nodig is om bijvoorbeeld 80ml water aan de kook te brengen. Ik ben echter niet thuis in de aanpak van het berekenen hiervan.
 
Ik hoop dat er verwarmingelementen zijn voor zo'n kleine hoeveelheid water die werken op 12V. 
 
Hebben jullie een idee om me op weg te helpen?
 
Ik hoor het graag!

Kleine hoeveelheden zijn geen probleem, hoe minder water hoe beter in de zin van hoe snel je het aan de kook kunt krijgen met een gegeven vermogen. 
 
Wellicht zul je wel wat moeten knutselen, maar dat kan de moeite zijn. 
 
Ik zou bijvoorbeeld denken aan een klein metalen thermosflesje waarbij je domweg een verwarmingselement (gewoon een waterdichte weerstand met waterdichte bedrading) in het water hangt en via de dop de draden naar buiten voert en tevens een gaatje kunt maken voor de stoom. 
 
Een andere aanpak zou zijn om bijvoorbeeld een blikje oid te gerbruiken en dat van buiten af te verwarmen door er een paar vermogensweerstanden of wikkelingen weerstandsdraad op aan te brengen met thermisch geleidende epoxy - maar kijk daarbij wel even uit met welke temperaturen dat materiaal aan kan gezien het buiten fors heter kan worden dan 100 graden. 

- De maximale acceptabele tijd dat het apparaat stoom genereert is 1 tot 1,5 minuut
- Het apparaat mag eigenlijk niet veel groter worden dan 10 x 10 x 10cm
- ... het water minimaal 5/6 keer aan de kook te brengen en stoom te genereren voor ongeveer 10 seconden per keer.
- ... om bijvoorbeeld 80 ml water aan de kook te brengen
- verwarmingselementen zijn voor zo'n kleine hoeveelheid water die werken op 12V

 

Een heel grove indicatieve voorbeeldcalculatie (druk 1 bar, stoom net 100 graden):
 
80 cm³ water van 20 naar 100 graden: soortelijke warmte 4186 J per graad per kilo > 0,08 * 80 * 4186 J = 26.790 J
80 cm³water van 100 graden naar stoom van 100 graden: verdampingswarmte 2256 kJ per kilo > 0,08 * 2.256.000 J = 180.480 J
Totaal benodigde energie is dan minimaal ongeveer 208.000 J
Per cm³ is de benodigde energie: 335 J (20 naar 100 graden) + 2.256 J (water naar stoom) = ~ 2600 J
 
Voor het aan de kook brengen van deze 80 cm³ in 90 seconden is dan zonder verliezen een vermogen nodig van (1 Watt is een joule per seconde) ongeveer (26.790/90) 300 Watt nodig. Bij 12 volt is dat een stoomsterkte van 300/12 = 25 A
 
Met deze 300 Watt kan je in tien seconden 3000 J energie genereren, voldoende voor de verdamping van ongeveer (3000/2256) 1,3 cm³ water van 100 graden. Of dat voldoende is moet jij zeggen. Is dat zo, dan is de tankinhoud te groot voor 10 keer stoom.
 
Wil je dit op een acculading 10 keer kunnen doen dan moet de accu een capaciteit hebben van 300 Watt * (90+10) seconden * 10 = 300.000 Watt.seconden = 84 Watt.uur zonder verliezen. Ergens rond de 100 Watt.uur 12 volt, minimaal 30 A stroomsterkte gedurende zeg eens twee minuten lijkt mij dan de ondergrens voor een accu (ook natuurlijk afhankelijk van de isolatie van het boilertje). Maar die krijg je niet in een ruimte van 10*10*10 cm gepropt. Als in deze beperkte ruimte ook nog het watertankje van 80 cc moet, kan je dat vergeten.
 
Deze accu bijvoorbeeld heeft 128 Wh capaciteit, maar mag maximaal 30 A gedurende 30 seconden leveren, en dat is te kort. De afmetingen zijn 15*7*10 cm.
 
Ik denk dat je beter een kleiner tankje kan gaan gebruiken, bijvoorbeeld 15 cm³. Op zich voldoende voor 10 keer 1,3 cm³ water naar stoom. Dat krijg je met 300 Watt vermogen in 17 seconden op 100 graden (als het tankje vol is en weer zonder verliezen), en dan blijf je samen met de omzetting van 1,3 cc water naar stoom in 10 seconden net binnen de 30 A en 30 seconden. Of je moet op zoek gaan naar een accu die langer tijd een hoge piekstroom kan leveren.
 
Nou ja, je hebt nu een voorbeeldje waar je weer verder mee zou moeten kunnen komen.

Als de accu ook in die 10x10x10 cm moet passen wordt het inderdaad een lastig verhaal, ook qua thermische isolatie en dergelijke. 
 
Op zich zou het qua volume nog wel gaan, maar niet met de gelinkte accu. Er zijn prima lithium accu's te koop die je met 10C of 20C mag ontladen, bedoeld voor gebruik in drones en dergelijke. Qua ruimte zou dat nog wel passen, maar het lijkt me niet heel verstandig die vlakbij een keteltje kokend water te monteren. 

Zo dat is nog eens uitgebreide informatie! Bedankt hiervoor. Hier kan ik zeker mee aan de slag.
 
Het vraagt dus wel echt veel capaciteit van de voeding en dan is het zo te lezen waarschijnlijk erg lastig om het zo klein te maken dat het allemaal niet groter dan ca. 10 x 10 cm wordt. 
 
Dan is het inderdaad een goed idee om het tankje kleiner te maken. Het is dan alleen wel zo dat het verwarmingselement steeds volledig onder water moet staan en dat zou dan betekenen dat het reservoir na iedere keer moet worden bijgevuld. Dat is niet erg praktisch. 
 
Misschien is het helemaal niet mogelijk maar het zou handig zijn als er naast het waterreservoir wat steeds opgewarmd moet worden, een aanvul-reservoir zou zijn die het reservoir met het op te warmen water steeds weer aanvult. Dit lijkt me niet mogelijk op het moment dat het water kookt, echter na gebruik of vóór het volgende gebruik zou je handmatig (of automatisch) het water kunnen (laten) aanvullen. 
 
Al met al heb ik als ik het goed begrijp, na het lezen van de berekeningen, een relatief grote accu nodig. Ook al zou er een veel kleiner tankje worden gebruikt?

Zoals Michel heeft voorgerekend hangt er vanaf hoe groot het tankje is, als je 10 cm3 gebruikt kun je met 40 watt of iets dergelijks toe, al kom je dan wel aan de grens waarbij het onpraktisch klein wordt om te bouwen (denk ik). 
 
Maar dat automatisch aanvullen gaf me wel een ideetje:
 
Wat nou als je een lont in het water hangt, en dan middels een verhittingselement die lont opwarmt tot 100 graden waardoor je stoom genereert?
Hoe snel dat gaat hangt van de capillaire werking en afmetingen van die lont af, maar het zou voorkomen dat je het hele reservoir heet hoeft te stoken voor een klein beetje stoom. Dit is vergelijkbaar met hoe electrische sigaretten werken, al is de vloeistof daar geen water maar glycerol of iets dergelijks. 

dan is het zo te lezen waarschijnlijk erg lastig om het zo klein te maken dat het allemaal niet groter dan ca. 10 x 10 cm wordt. 

...

een aanvul-reservoir

 

Het geheel mocht toch niet groter dan 10*10*10 cm worden? Mag dat extra reservoir buiten die 10 cm kubus geplaatst worden? Zo ja, dan kan de accu dat toch ook?

 

Anyway, zoals BenM al eerder aangaf, is het geen goed plan de accu in dezelfde behuizing waarin die verwarming zit en een temperatuur van >100 graden heerst te gaan plaatsen. Zet die accu dan via een kabel buiten het geheel. Dan heb je met ruwweg een liter inhoud voldoende mogelijkheden. Dan kom je makkelijk uit met jouw 80 cc water en een opwarmduur van ruwweg 1,5 minuten bij 300 Watt vermogen.

 

Je wilt iets gedurende 10 seconden gaan verwarmen met stoom schreef je. Ik heb je voorgerekend dat je dat met die 300W vermogen gaat lukken, vermits je dan niet meer dan 1,3 cm³ water wilt verdampen in die 10 seconden. Waar ik geen idee van heb, is of dat voldoende stoom voor je is.

 

Wat mogelijk verder een probleem gaat zijn, is een 12V 300 watt verwarming van de geschikte afmetingen te vinden. Mogelijk moet je die zelf gaan maken met weerstandsdraad. Om het tankje komt dan eerst een hittebestendige thermisch geleidende elektrisch isolerende laag, en daaromheen het weerstandsdraad en daaromheen een thermische- en elektrische isolatie.

 

Misschien is het behulpzaam wat nader te vertellen wat je waarom zo wilt gaan verwarmen.

Ik begrijp wat jullie bedoelen wbt de berekeningen. Daarnaast ben ik ook nog geen bestaand verwarmingselement tegengekomen die hier geschikt voor zou zijn.
 
Het blijkt dat de voedingsbron toch vrij groot zal zijn en dan is het niet meer interessant voor mijn idee omdat het echt licht en makkelijk mee te nemen moet zijn. Het doel van het apparaat ligt binnen een hobby van me en het zou een nuttig, vernieuwend product kunnen zijn. Echter alleen als het een vrij klein apparaatje zou worden. 
 
Ik begrijp dat het zonder precies te weten waar het voor gebruikt zal worden, lastig is om er een beeld bij te krijgen. De stoom die het apparaatje zou moeten genereren hoeft echt maar een zeer smalle straal te zijn en hoeft er ook niet met een erg hoge druk uit te komen.
 
Wat betreft het idee van het gebruiken van een lont, daar ga ik me verder in verdiepen. 
 
In ieder geval voor zover bedankt voor de reacties en de berekeningen. Daar was ik zelf vele malen langer mee bezig geweest.