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Wenn man die Erfahrungen mit unserer Modell-Dampfturbine mit Stumpf-Beschaufelung, sowie die Erkenntnisse aus den Experimenten mit geregelten Durchlaufkesseln zusammenfasst und konsequent weiter ,,spinnt", muss man fast zwangsläufig zu einer Kombination beider Komponenten gelangen; also zu einer direkt beheizten Modell-Dampfturbine.
Ich finde den Gedanken faszinierend, unter Verzicht auf jede Art von Dampferzeugern ein entsprechendes Schiffsmodell beinahe vorbildtreu, mit ein oder zwei solchen, auch äußerlich Gasturbinen sehr ähnlichen Aggregaten anzutreiben.

Mir schwebt dabei vor, die düsenförmigen Ausgänge mehrerer gasbeheizter Verdampfer mit Wassereinspritzung so anzuordnen, dass sie unmittelbar auf das Schaufelrad einer Dampfturbine wirken. Dabei soll die Leistungsregelung der Turbine über die Wärmezufuhr (Gasmenge), sowie das eingespitzte Speisewasser (Dampfmenge) erfolgen.

Es sind rein praktisch technologische Gründe, die zur Verwendung der Stumpf-Beschaufelung führen. Vermutlich würde der Einsatz klassischer Profil-Schaufeln zu einem etwas günstigerem Wirkungsgrad führen, aber der Aufwand zu deren CNC gestützter Herstellung kann durch den Leistungsgewinn nicht gerechtfertigt werden. Die Fertigung von Stumpf-Schaufeln hingegen, bewegt sich im Rahmen einer gut ausgestatteten Hobby-Werkstatt.

Dem Berechnungsbeispiel einer zweistufigen Turbine aus dem Beitrag ,,Modelldampfturbinen mit Stumpf-Schaufeln" lag eine innere Leistung von 37 Watt zu Grunde.

http://www.forum-marinearchiv.de/smf/index.php/topic,21086.0.html

Der hiernach gebaute Prototyp erbrachte auf dem Bremsdynamometer eine Wellenleistung von 17 Watt hinter dem Getriebe. Wenn wir auch nur 10% Getriebeverluste annehmen, ergibt sich eine effektive Turbinenleistung von ca. 20 W. Das entspricht in etwa einem thermischen Wirkungsgrad von 25 % und bedeutet, dass 25 % der Wärmeenergie von ca. 0,6 Gramm Dampf pro Sekunde, in Form mechanischer Arbeit an der Turbinenwelle verfügbar sind.

https://www.youtube.com/watch?v=k-qy02pxIuo

Wir gehen der besseren Vergleichbarkeit wegen wiederum von einem Schaufelrad-Durchmesser von etwa 80 mm und einer Nenndrehzahl von 20.000 1/min aus. Das entspricht einer Umfangsgeschwindigkeit u ≈ 80 m/s.

Wir wissen um die Zusammenhänge zwischen dem Wirkungsgrad am Radumfang (η_u) und dem Verhältnis u/c ₁.
Hierbei sind u die mittlere Umfangsgeschwindigkeit am Schaufelkranz und c ₁ die Dampfgeschwindigkeit am Düsenausgang.

Bei einer einstufigen Turbine (Düsenwinkel 17°) wird bekanntlich der höchste Wirkungsgrad η _u≈ 0,75 erreicht, wenn das Verhältnis u/c₁ = 0,5 ist.
Durch Geschwindigkeitsstufung kann die Dampfgeschwindigkeit c₁ recht wirksam herabgesetzt werden
Bei einer zweistufigen Turbine mit Geschwindigkeitsstufung liegt der Scheitel der Kurve bei einem Verhältnis u/c₁ = 0,25 und der theoretische Wirkungsgrad ist nunmehr η_u = 0,58.
Diese Werte für η_u  gelten zwar für C-Räder mit Profilschaufeln, sind aber für unsere überschlägige Betrachtung recht hilfreich.
Siehe: Zeichnung 1 oder ,, Die Dampfturbine im Modellbau" (Abb.5).
http://www.forum-marinearchiv.de/smf/index.php/topic,12568.0.html



Bei unserer Umfangsgeschwindigkeit u = 80 m/s beträgt die optimale Dampfgeschwindigkeit demnach:
c₁ = 80 : 0,25  = 320 m/s.

Aus der Dampfgeschwindigkeit c₁ errechnet wir das ihr zu Grunde zu legende theoretische Wärmegefälle h_t des Dampfes.

Die Gleichung für die Dampfgeschwindigkeit
c₁ = 91,5 • φ • √h_t  [m/s]

stellen wir nach h_t um.

Es sind:
c₁ = Dampfgeschwindigkeit am Düsenausgang [m/s],
h_t  = theor. Wärmegefälle [kcal/kg],
φ = Düsen-Verlustbeiwert (φ = 0,93 angenommen.),
Zahlenwert 91,5 = √ ( 2 ∙ g  ∙ 427 kgm/kcal ).

h_t = c₁² : (91,5 • φ)²

h_t = 320² : (91,5 • 0,93)²  = 102400 : 85² =102400 : 7225 = 14,2 kcal/kg.


Bei Auspuffbetrieb (Gegendruck p₀ = 1at_a) mit leicht überhitztem Dampf (t_ü ≈ 110 °C) bzw. Sattdampf entspricht das gemäß dem h-s Diagramm für Wasserdampf einem Betriebsdruck (Zeichnung 2)
p₁ = 1,4 at_a (etwa 0,4 bar).

Liebe Modellbaufreunde,
das Hochladen dieses neuen Beitrages ist leider völlig schief gelaufen.
Den fehlerhaften Beitrag konnte ich leider nicht wieder löschen. Ich habe versucht, ihn in einer längeren Prozedur etwas zu eddidieren.
Also, ich bitte um Nachsicht.
Die fehlenden Zeichnungen werde ich morgen nachreichen.

... und hier die oben fehlenden Zeichnungen

Sattdampf mit einem Druck von 1,4 at_a ist auch leicht überhitzt nicht sehr energiereich.
Die gewünschte Turbinen-Leistung muss daher durch eine entsprechend höhere Dampfmenge G erbracht werden. Das heißt, die Dampfmenge G_sek  = 0,6 g/s des o.a. Prototypen wird nicht ausreichend sein. 
In unserem Fall scheinen die Vorteile dieses ,,energiearmen" Dampfes dennoch zu überwiegen.
Der recht niedrige Dampfdruck kommt uns bei der angestrebten Art der Verdampfung sehr entgegen. Die direkte Leistungsregelung der Turbine über die Gas- bzw. Speisewassermenge sollte weitgehend frei von Trägheit erfolgen; wir erwarten eine spontane  Umwandlung der  eingespritzten Wassermenge in Dampf mit dem entsprechenden Druck.
Das Speisewasser muss hierzu in einem Heißgas-Wärmetauscher bis nahe der Siedetemperatur vorgewärmt werden.
Die geregelte Speisewasser-Pumpe wird vor dem Wärmetauscher platzieren; die hohe Speisewassertemperatur hat also keinen Einfluss auf deren Funktion; soll heißen, die Speisepumpe saugt kaltes Wasser an.
Des Weiteren liegt der Betriebsdruck von 1,4 at_a ausreichend weit unter dem kritischen Druck p_k (Laval-Druck), es kommen demnach die deutlich leichter herstellbaren, so genannten einfachen Düsen zum Einsatz.

Für den ersten Versuch eines Geschwindigkeitsplanes stehen uns folgende Werte zur Verfügung:

Dampfgeschwindigkeit c₁ = 320 m/s,
Umfangsgeschwindigkeit u = 80 m/s,
Düsen-Verlustbeiwert φ = 0,93.

Vom unserem Prototyp mit Stumpf-Schaufeln übernehmen wir:

Düsenwinkel α₁ = 15⁰ (?),
Schaufelwinkel β₁ = 19⁰,
Schaufel-Verlustkoeffizient ψ_S = 0,7,
Leitkammer-Verlustkoeffizient ψ_L = 0,74 (Umlenkwinkel γ = 162⁰).
Aus Herstellungsgründen möchte ich, dass wir den Schaufelwinkel β₁ = 19⁰ vorerst beibehalten.
Gegebenen Falls ändert sich hierdurch der Düsenwinkel α₁ geringfügig.

Die Darstellung von Dampfgeschwindigkeiten und ihren Winkeln zeigt das Bild 2 des Beitrags ,,Berechnung von Modelldampfturbinen".

http://www.forum-marinearchiv.de/smf/index.php/topic,16639.0.html


Wie bereits vermutet, ändert sich der Düsenwinkel nur marginal (14,8°). Die Änderung kann also vernachlässigt werden.
Viel wichtiger ist die Erkenntnis, dass durch die recht hohen Strömungsverluste in den Schaufeln ((ψ_S = 0,7 = 30%) und in der Leitkammer (ψ_L = 0,74 = 26%) die verbleibende Bewegungsenergie zu gering ist, um in einer zweiten Stufe verwertet zu werden. Der Dampf würde lediglich mit c'₁ = 72,5 m/s in die zweite Stufe eintreten.
Eine zweite Geschwindigkeitsstufe würde in diesem Fall nicht nur keinen Leistungsanteil  erbringen, sondern durch ihre Ventilationsverluste sogar bremsend wirken.

Wir erinnern uns, dass wir bei unserem Prototyp anfänglich vor dem gleichen Problem standen und den Betriebsdruck p₁ deutlich über den kritischen Druck erhöhen mussten, um in der zweiten Stufe einen respektablen Leistungsanteil von etwas 25% zu erzielen.
Aus den bereits genannten Gründen möchten wir jedoch bei einem Betriebsdruck
p₁ =1,4 at_a verbleiben.
Wir müssen uns also etwas anderes einfallen lassen.

Wenn wir die obigen Kurven des Wirkungsgrades am Radumfang anschauen, können wir feststellen, dass sich die Kurve für Zweistufigkeit an ihrem Scheitelpunkt mit der Kurve für einstufige Turbinen schneidet.
Das bedeutet nichts anderes, als dass am Schnittpunkt der Wirkungsgrad η_u für beide Fälle  gleich ist und dass damit auch die Summe der auftretenden Verluste nahezu gleich ist.

Während sich bei einer zweistufigen Turbine diese Verluste weitgehend als so genannte Schaufelungsverluste darstellen würden, sind diese Verluste bei Einstufigkeit im Wesentlichen höhere Austrittverluste, also die ungenutzte Wärmeenergie im Abdampf. 

Für eine einstufige Turbine könnte also das Geschwindigkeitsverhältnis u/c₁ = 0,25 unverändert bleiben und damit bei einer Umfangsgeschwindigkeit u = 80 m/s auch die Dampfgeschwindigkeit c₁ = 320 m/s.

Gemäß Geschwindigkeitsplan 2 würde nunmehr der Dampf mit der Austrittsgeschwindigkeit c₂ = 98 m/s nicht zur Umlenkung in eine Leitkammer geführt, sondern unter einem Austrittswinkel α₂ = 34° die Turbine verlassen.

Aus den beiden am Umfang wirksamen Geschwindigkeitskomponenten w_1u = 232 m/s und w_2u = 164 m/s errechnen wir das innere Wärmegefälle h_i mit der Gleichung:

h_i = u • (w_1u + w_2u) : 4189 [kcal/kg]

Zahlenwert 4189 = g • 427 kgm/kcal.

h_i = 80 • (232 + 164) : 4189 = 80 • 396 : 4189 = 7,56 ≈ 7,6 kcal/kg.

Den inneren Wirkungsgrad η_i, setzen wir gleich mit dem Wirkungsgrad am Radumfang η_u und ermitteln:

η_i = h_i : h_t = 7,6 :14 = 0,543 ≈ 0,54

Wir finden damit die überschlägige Aussage der Wirkungsgrad-Kurve für eine einstufige Turbine bestätigt.

Aus dem inneren Wärmegefälle h_i errechnen wir den spezifischen Dampfverbrauch d dieser Turbine.

d = 860 : h_i (kcal/kg) = 860 : 7,6 = 113 kg/kW.

Zahlenwert 860 = 860 kcal/kW.


Mit der Gleichung:

G_sek = d • N_i : 3600,

Zahlenwert 3600 = 3600 Sekunden pro Stunde,

ermitteln wir die sekundliche Dampf-Verbrauchsmenge für eine gewählte innere Leistung.

Wir wählen zum besseren Vergleich mit N_i = 37 W den Wert aus der Beispiel-Rechnung des Prototyps.

G_sek  = 113 • 37 : 3600 = 1, 16 ≈ 1,2 g/s.

Wir sehen, dass sich auf Grund des energieärmeren Dampfes die Verbrauchsmenge G_sek gegenüber der, unseres Prototyps gleicher Leistung verdoppelt.

Übrigens: Das bedeutet, dass wir mit einer Speisewasserreserve von 1,5 l ca. 20 Minuten fahren könnten.


Mit Modellbau gerecht umgestellter Bernoully-Gleichung ermitteln wir die Düsen-Querschnittsfläche F_min:

F_min = G_sek • v • 1000 : c.

Es sind:
F_min = Düsen-Querschnittsfläche [mm²],
G_sek  = Dampfmenge [g/s],
v = spez. Dampfvolumen [m³/kg],
c = Dampfgeschwindigkeit [m/s],
Zahlenwert 1000 (Umstellung in Gramm und mm²).

Für c und v setzen wir jeweils die Werte am Düsenausgang ein:
Dampfgeschwindigkeit c₁ = 320 m/s,
Dampfvolumen v  ≈ 1,3 m³/kg.

F_min = 1,2 • 1,3 • 1000 : 320 = 4,875 ≈ 4,9 mm². 

Wir rechnen einfach mal mit F_min =  4,8 mm² und kommen auf 3 Düsen mit f_min = 1,6 mm².

Wenn wir die Schaufel-Düsen-Geometrie unseres Prototyps mit einer Düsen-Querschnittsfläche von 2 mm² übernehmen, kämen wir bei drei Düsen auf
F_min = 6 mm².
Die Dampf-Verbrauchsmenge G_sek würde sich erhöhen, aber auch die Leistung N_i.

Wir vervollständigen das h-s-Diagramm um die Expansionskurve (Linie) und ziehen dabei die jeweiligen Verluste von unten vom theor. Wärmegefälle h_t ab.

Wir ermitteln zuerst den Düsenverlust:

h_d = (1 – φ²) ∙ h_t  = (1 - 0,93²) • 14 = 0,135 • 14 = 1,89 ≈ 2 kcal/kg

und finden Punkt A1.

Wir rechnen weiter.

Schaufelverlust:
h_s = (w₁² : 8378) • (1 - ψ²)  = (246² : 8378) • (1 - 0,7²) = 7,22 • 0.51 = 3,68
≈ 3,7 kcal/kg.

Wir finden Punkt A2.

Austrittverlust:                             
h_a = c₂² : 8378 = 78² : 8378 = 6084 : 8378 = 0,726 ≈ 0,7 kcal/kg.

Entsprechend Punkt A3.

Auch grafisch finden wir so den bereits rechnerisch ermittelten Wert des inneren Wärmegefälles,

h_i = h_t - h_d - h_s - h_a = 14 -2 -3,7 - 0,7 = 7,6 kcal/kg.

Am Punkt A3 verlässt der Dampf die Turbine nahezu frei von Kondensat.

Wir haben nunmehr die wichtigsten Eckdaten zur Konstruktion des Turbinen-Teils ermittelt.

Als Nächstes versuchen wir, uns an die theoretischen Ausgangsdaten zur Konstruktion des Dampferzeugers heran zu arbeiten.

Wir wollen demnach in einem ,,Schnell"-Verdampfer pro Sekunde 1 Gramm auf  90 °C vorgewärmtes Wasser bei 1,4 at_a verdampfen, Speisewassertemperatur 20 °C.

Wir ermitteln den Wärmebedarf:

Gesamtwärme i'' 642 kcal/kg (Wasserdampf-Tafel)

Vorwärmer:
Flüssigkeitswärme i'₁ = 90 - 20 = 70 kcal/kg,

Verdampfer:
Flüssigkeitswärme i'₂ = 19 kcal/kg,
Verdampfungswärme r = 642 - 109 = 533 kcal/kg
Verdampfer Gesamt i'₂ + r = 19 + 533 = 552 kcal/kg.

Zur Ermittlung der erforderlichen Heizfläche werden zuerst die jeweiligen Einflussgrößen, wie die Wärmeleitzahl λ (Lambda) des verwendeten Wandmaterials, die Wandstärke δ (Delta), sowie die Wärmeübergangszahlen (Alpha) vom Rauchgas zur Wand ά1 (äußere Heizfläche) und von der Wand zum Wasser ά2 (innere Heizfläche) zum so genannten Wärmedurchgangs-Koeffizient k zusammengefasst.
Er besagt, welche Wärmemenge pro m² Heizfläche bei einer Temperaturdifferenz
von 1 ⁰C stündlich vom Rauchgas auf das Kesselwasser übergeht.

k =  1 :  [(1 : ά1) + (δ : λ) + (1 : ά2)]  (kcal/m²•h•°C).

Wandstärke δ (m)
                                                                                       
Einige Werte für λ  (kcal/m²•h•°C).

Kupfer      = 320,
Messing    = 50 - 100,
Rotguss    = 50 - 60,
Stahl         = 40 - 50.

Hier noch ein paar erläuternde Angaben zum obigen schematischen Wärme-Diagramm.

Auf der Ordinate ist die Temperatur in °C aufgetragen, während die Abszisse den jeweiligen Wärmeinhalt i in kcal/kg darstellt.

Wir sehen links die Temperatur des Wassers (t_W) beginnend bei 0 °C.
Die Temperatur des Speisewassers haben wir mit 20 °C angenommen (gestrichelt).

Im Vorwärmer wird die Wasser-Temperatur t_W auf 90 °C erhöht (gestrichelt).
Zur Sicherstellung einer störungsfreien Einspritzung bleiben wir damit deutlich im Flüssigkeitszustand.

Bekanntlich nimmt der Wärmeinhalt von 1 kg Wassers pro 1 °C um 1 kcal zu.
Das eingespritzte Wasser hat demnach eine Flüssigkeitswärme i' von 90 kcal/kg.
Diesen Teil der Flüssigkeitswärme nennen wir i'₁.

Die Siedetemperatur beträgt bei 1,4 at_a  t_S  = 109 °C (Siedepunkt, 1).
Das entspricht gemäß Wasserdampf-Tafel ca. 109 kcal/kg.
Die im Verdampfer bis zum Siedepunkt noch zu übertragende Flüssigkeitswärme von 19 kcal/kg nennen wir i'₂.

Zum Erreichen des Sättigungspunktes 2 ist die Verdampfungswärme r = 533 kcal/kg zu zuführen. 
Die, im Verdampfer  zu übertragende Wärmemenge beträgt damit:

i'₂ + r = 552 kcal/kg.

Nach dem zweiten Hauptsatz der Wärmelehre geht die Wärme von einem Körper mit höherer Temperatur auf einen mit tieferer über.
Soll der Wärmeübergang zwischen zwei Medien (Fluiden) durch eine, sie trennende Wand erfolgen, ist demnach eine ausreichende Temperaturdifferenz  zwischen den Wandoberflächen und den Medien erforderlich.

Die Bestimmung der so genannten Wärmeübergangszahl ά gestaltet sich aber nicht nur im Modellbau recht schwierig, denn ihr Wert hängt von etlichen Faktoren ab und er bewegt sich in weiten Grenzen zwischen 10 und 15.000 kcal/m²•h•°C.

Neben der Art des Fluid, seinem Druck, seiner Temperatur sowie seiner Wärmeleitfähigkeit, sind auch die konstruktive Gestaltung des Wärmetauschers, ggf. der Durchmesser seiner Rohre sowie die herrschenden  Strömungsverhältnisse ausschlaggebend.

Bei flüssigen Medien haften nicht selten Teilchen unmittelbar an der Oberfläche der Wand; ihre Geschwindigkeit ist gleich Null und sie bilden eine Grenzschicht mit hohem Wärmewiderstand. Auch bei Gasen bilden sich Grenzschichten verschiedener Art,
z.B. bei Rauchgas sind es Russablagerungen die den Wärmeübergang behindern können.
 
Langsam strömende Gase haben die niedrigsten Wärmeübergangszahlen, kondensierende Dämpfe hingegen die höchsten.
Der Wärmeübergang vom Fluid zur Wand und umgekehrt ist also ein recht komplizierter Vorgang und es gibt praktisch keine, für alle Verhältnisse gültige  Standartwerte. 
Die verschiedensten Erfahrungswerte aus dem Großbetrieb sind für den Modellbau nur sehr bedingt anwendbar.

Einige Werte für α  (kcal/m²•h•°C).

Gase, freie Konvektion                       = 2,5 - 8,5         (3 - 10 W/m²K),
Gase, erzwungene Konvektion            = 8,5 - 430         (10 - 500 W/m²K), 
Siedendes Wasser an Metallflächen     = 3000 - 5200     (3500 - 6000 W/m²K),
Sattdampf an Metallflächen                = 7700              (9000 W/m²K).

Liebe Modellbaufreunde,
ich muss zugeben, dass ich mich etwas schwer damit getan habe, in welcher Form ich die komplexen Zusammenhänge bei der Wärmeübertragung zwischen zwei, durch eine Wand   getrennter Medien „rüberbringen“ soll.
Wenn es sich beim Wärme abgebende Medium um heiße Rauchgase oder gar um Flammen handelt, wird es besonders kompliziert.

Das, in den wenigen Stunden vermittelte Wissen, in denen selbst in den Physik-Leistungskursen der gymnasialen Oberstufen die Thermodynamik „gestreift“ wird, reicht nur unvollständig zum Verständnis der vorherrschenden physikalischen Zusammenhänge; die Wärmeübertragung kommt günstigsten Falls als Übungsaufgabe zum Wärmedurchgang von Gebäudewänden vor.
Die verfügbare Fachliteratur dient aber in erster Linie der Heranbildung des technisch akademischen Nachwuchses und schießt in der Themenbehandlung für unsere Verhältnisse weit über das Ziel hinaus.
Auch die Autoren der neueren Fachliteratur bestätigen, dass die Strömungs- und Wärmeleitvorgänge durch Differentialgleichungen zwar mathematisch beschrieben werden können, aber bisher nur einfache Vorgänge rechnerisch lösbar sind.
Durch die Vielzahl der Einflussgrößen ist daher letztendlich ihre experimentelle Ermittlung sehr wichtig.
Ich werde mich deshalb auf die Darstellung und Beschreibung der wichtigsten Größen beschränken und mit einer vereinfachten Beispiel-Rechnung den ambitionierten Modellbauern einen groben Rahmen für eigene Experimente bieten.

Der Physiker Fourier hat erkannt, dass die durch eine ebene Wand strömende Wärme, der Wandfläche F, der Temperaturdifferenz t₁ - t₂, sowie der Zeit τ direkt proportional ist, während sie sich zur Wandstärke δ umgekehrt proportional verhält.
Die Wärmeleitfähigkeit des durchströmten Stoffes wird durch den Wert λ dargestellt.
Der Wärmestrom Q ist dabei an jeder Stelle des durchströmten Systems gleich.

Wir wissen aber bereits, dass in unserem Fall die Wärmeübertragung vom Medium 1 (Verbrennungsgas) zum Medium 2 (Dampf) aus drei einzelnen Vorgängen besteht.

Die Zeichnung unten, zeigt den Temperaturverlauf bei der Wärmeübertragung zwischen zwei, durch eine Wand getrennter Medien; die Punkte ihrer Temperaturen t₁ und t₂, sowie die Temperaturen t₁' und t₂' der Wandoberflächen, liegen auf einer gedachten Linie.
Somit bietet sich auch die Möglichkeit einer grafischen Lösung über den Tangens des Winkels β.

Wir gehen von folgenden Annahmen aus:

Wärmeübergang vom Verbrennungsgas zur Wand.
Wärmeübergangszahl α₁ = 200 kcal/m²•h•°C.
(Erzwungene Konvektion durch ein Gebläse, teilweise direkter Flammen-Kontakt der Wand.)

Wärmedurchgang durch die Wand.
Wandmaterial Kupfer:   λ = 320 kcal/m•h•°C.
Wandstärke:              δ = 1 mm = 0,001 m.

Wärmeübergang von der Wand zum Dampf.
Wärmeübergangszahl α₂ = 4300 kcal/m²•h•°C.
(Siedendes Wasser und Sattdampf an Metallwand.)

Wir fassen diese drei Vorgänge nach der bekannten Gleichung zum Wärmedurchgangs-Koeffizient k zusammen.
Hiernach ist:

k = 1 :  [(1 : 200) + (0,001 : 320) + (1 : 4300)]  = 200 kcal/m²•h•°C.

Bei der Berechnung der erforderlichen Heizfläche setzen wir folgende Werte an:

Mittlere Verbrennungsgastemperatur   t₁ = 300 °C,
Dampftemperatur                             t₂ = 110 °C.

Stündliche Dampfmenge: 1,2 g/s • 3600 = 4320 g/h = 4,32 kg/h.

Wärmestrom: Q = 4,3 kg/h • 552 kcal/kg = 2374 kcal/h.

Die erforderliche Gesamt-Heizfläche ist demnach:

F_ges = Q : [(t₁ - t₂) • k] = Q : (∆t • k) = 2374 : (190 • 200) = 2374 : 38000  = 0,062 m² = 62 cm².

Die einzelnen Heizflächen der drei Verdampfer sind:

F _Vd ≈ 20 cm².

Warum ich schon traditionell für physikalische Einheiten die alten Bezeichnungen verwende, habe ich in meinen verschiedenen Beiträgen bereits begründet.
Den ,,etwas jüngeren" Modellbauern, die mit SI-Einheiten groß geworden sind, dürfte die Umrechnung aber keine Schwierigkeiten bereiten.

Da 1 kW = 1000 W = 860 kcal  sind und 1 °C = 1 K entsprechen, gilt u.a. für die Umrechnung:

kcal/m²h°C • 1,1630 = W/m²K, 

W/m²K • 0,8598 = kcal/m²h°C. 

Bei der überschlägigen Berechnung der Heizfläche des Vorwärmers, wählen wir wiederum den vereinfachten Weg über den erforderlichen Wärmestrom Q.

Die Wärmeübertragung im Speisewasservorwärmer unterscheidet sich jedoch von der, unseres Verdampfers.
Während beim Verdampfungsprozess die Temperatur t_S des Wassers als Wärme aufnehmendes Medium 2 vom Siedepunkt (1) bis zum Sättigungspunkt (2) konstant ist und lediglich der Wärmeinhalt i steigt (... siehe obiges Wärmediagramm), ist die, bei unserer Berechnung einzusetzende Temperaturdifferenz t₁ - t₂ der Medien an jeder Stelle des Vorwärmers anders.

Betrachten wir bei unserem Vorwärmer das zu erwärmende Speisewasser als Wärme aufnehmendes Medium 2, so reicht seine Temperatur t_W von 20 °C am Anfang, bis zu seiner Endtemperatur von 90 °C. 

Bei den kommerziellen Anlagen des Großbetriebes wird hierzu aus der sinkenden Temperatur von Medium 1 und der steigenden von Medium 2 durch Ableitung die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz gebildet.
Bei unserer Vereinfachung gehen wir davon aus, dass die Temperatur von Medium 1 (Verbrennungsgas) konstant ist, bzw. sich vernachlässigbar gering ändert und als Temperatur von Medium 2 (Speisewasser) der arithmetische Mittelwert aus der Anfangs- und der Endtemperatur gebildet wird.

Wir legen bei unserem Rohrbündel-Vorwärmer folgende Gegebenheiten zu Grunde:

Wärmeübergang vom Verbrennungsgas zur Rohrwand.
Wärmeübergangszahl α₁ = 100 kcal/m²•h•°C.
(Erzwungene Konvektion, Gegenstrom-Vorwärmer aus quer angeströmten Rohren.)

Wärmedurchgang durch die Rohrwand.
Wandmaterial Kupfer:   λ = 320 kcal/m²•h•°C.
Wandstärke:              δ = 0,5 mm = 0,0005 m.

Wärmeübergang von der Rohrwand zum Dampf.
Wärmeübergangszahl α₂ = 2500 kcal/m²•h•°C.
(Wasser an Rohrwand, erzwungene Strömung.)

Wir ermitteln zuerst wieder den Wärmeübergangskoeffizienten k des Vorwärmers.

k = 1 :  [(1 : 100) + (0,0005 : 320) + (1 : 2500)]  = 100 kcal/m²•h•°C.

Wir verfahren weiter wie beim obigen Verdampfer und bestimmen:

Mittlere Verbrennungsgastemperatur   t₁ = 170 °C,
Mittlere Wassertemperatur                t₂ =   55 °C,
(t₂ = 20°C + [(t_{W max} - t_{W min}) : 2] = 20 + [(90 - 20) : 2] = 55°C).

Stündliche Wassermenge: 1,2 g/s • 3600 = 4320 g/h = 4,32 kg/h,
(Wassermenge = Dampfmenge)


Wärmestrom: Q = 4,3 kg/h • (i' - i₁') = 4,3 • (90 -20 kcal/kg) = 4,3 • 70 =
301 kcal/h,
(i'= Flüßigkeitswärme des Speisewassers).

Die erforderliche Gesamt-Heizfläche ist demnach:

F_ges = Q : [(t₁ - t₂) • k] = 301 : [(170 - 55) • 100] = 301 : 11500 = 0,026 m² =
26 cm².

Das entspricht beispielweise einem Kupferrohr von 3 mm Außendurchmesser und
280 mm Länge.

Die angehangene Zeichnung zeigt den Verlauf der Temperaturen im Wärmeübertrager, wie z.B. in unserem Fall als Vorwärmer eingesetzt.

Auf der Ordinate finden wir die Temperatur t in °C und auf der Abszisse Heizfläche F.
Wir sehen oben die Temperaturen t₁ des Wärme abgebenden Mediums (...Verbrennungsgas) und darunter die niedrigeren Temperaturen t₂ des Wärme aufnehmenden Mediums (...Wasser).
Wir sehen auch, dass die Differenz zwischen t₁ und t₂ (∆t) mit zunehmender Fläche F kleiner wird, wobei wir zwischen Gleichstrom (grau) und Gegenstrom unterscheiden.

Bei Wärmeübertragern nach dem Gleichstromprinzip ist die Strömungsrichtung beider Medien gleich (►►), beim Gegenstromprinzip ist sie entgegengesetzt (►◄).

Die grau gezeichnete Kurve des Verlaufs von t₂ bei Gleichstrom zeigt, dass die Temperaturen beider Medien zwar der gleichen Austrittstemperatur zustreben, doch letztlich die Differenz t₁' - t₂' größer ist, als die Differenz t₁ - t₂' im Gegenstrom.
Das bedeutet, dass bei gleicher Heizfläche die Übertragungsleistung bei Gegenstrom höher ist.
Bei unseren quer angeströmten Rohren spricht man auch von Kreuzstromprinzip, bzw. einer  Mischung von Gegenstrom und Kreuzstrom; die Temperaturen sind dann unterschiedlich verteilt und man verwendet bei der Berechnung kommerzieller Anlagen einen Korrekturfaktor.

Bei unseren Heizflächenberechnungen haben wir zunächst grob voraus geschätzte Wärmeübergangskoeffizienten zu Grunde gelegt. Auch im Großbetrieb wird so verfahren, bevor erste Entwürfe und ggf. mehrfache, genauere Nachrechnungen erfolgen. Somit verfügen nach einiger Zeit die häufig auf bestimmte Produkte spezialisierten Hersteller über eine Menge an Erfahrungswerten.

Unser Vorhaben ist aber zumindest bezüglich der Verdampfer, ihrer optimalen,  konstruktiven Gestaltung sowie der erzielbaren Werte ohne Beispiel.
Uns fällt also die Aufgabe zu, mit viel kreativer Kraft die besten Werte experimentell zu ermitteln.
Aber hierin besteht schließlich einer der Reize unseres schönen Hobbys.

Veränderung der Abmessungen der Heizflächen, z.B. Rohrlänge, Rohrdurchmesser o.ä. verändern auch die Wärmeübergangskoeffizienten.

Wenn wir die Gleichung der Wärmedurchgangszahl k betrachten stellen wir fest, dass sie immer kleiner ist als die kleinste Wärmeübergangszahl α. Es ist daher von Vorrang den kleinsten α-Wert zu erhöhen.
Neben der Vergrößerung der Heizfläche bieten u.a. die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit oder die Verwirbelung des Mediums die Möglichkeiten den Wärmeumsatz zu verbessern.
Allerdings ist wie gesagt, wenig sinnvoll die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers zu erhöhen, wenn seine Wärmeübergangszahl α größer ist als die des Wärme abgebenden Mediums, z.B. Verbrennungsgas. Wäre das Wärme abgebenden Medium  hingegen Dampf mit seinem höheren α-Wert, so würde die Erhöhung der Wassergeschwindigkeit eine Verbesserung erwarten lassen.
Die Wärme austauschende Oberfläche kann auch durch die Anordnung von Rippen vergrößert werden. Solche Rippen werden dann auf der Oberfläche des kleineren 
α-Wertes angebracht.

Liebe Modellbaufreunde,
ich hoffe ich habe euch mit dem kleinen Ausflug auf das komplexe Gebiet der Wärmeübertragung nicht allzu sehr gelangweilt. Mir erschien es aber wichtig, auf eine möglichst verständliche Weise die wichtigsten Zusammenhänge darzulegen, um damit eine Basis für erfolgreiches Experimentieren zu bilden.

Hallo Georg - von " langweilig " kann wohl keine Rede sein . Ich lese Deine Beiträge sehr gerne und dümmer wird man bestimmt nicht davon. Aber mir fehlen einfach die/Deine Fachkenntnisse - also einfach bitte weiter machen auch wenn Du hier wenige direkte Reaktionen erhälst

Gruß - Achim - Trimmer

Hallo Achim, hallo Modellbaufreunde,
es wird immer eine Besonderheit dieses Forums sein, für einen so speziellen und letztlich auch stofflich nicht unbedingt leicht verdaulichen Beitrag, eine so große Zahl der vielseitig interessierten Leser zu finden.

Ich habe zwar den Teil der theoretischen Untersuchung, aber nicht den Beitrag an sich abgeschlossen.
Als Nächstes werde ich mich mit der konstruktiven Umsetzung meiner Überlegungen befassen und kann hoffentlich zur gegebenen Zeit auch einige brauchbare Hinweise liefern.

Ich würde mich freuen, wenn es mir wieder gelingen würde, wie bei der Stumpf-Turbine, einen oder auch mehrere ambitionierte Modellbauer mit der entsprechenden technischen Ausstattung zu finden, die meine theoretischen Überlegungen in die Praxis umsetzen.
Meine vollste Unterstützung wäre ihnen gewiss.
Es wird kein leichter Weg, aber die Chance mit der ersten Gas-Dampf-Turbine als Antrieb in die ,,Annalen der Modellbau-Geschichte" einzugehen, dürfte ein zusätzlicher Anreiz sein.

Schon bei der ersten Idee zu einer direkt beheizten Modell-Dampfturbine hatte ich vor meinem geistigen Auge ein recht klares Bild von ihrer äußeren Erscheinung.

Aber leider kann man vom „Kopfkino“ noch keine Kopien anfertigen.
Ich greife deshalb gerne auf die gute, alte Freihandskizze zurück, um vor allem nächtliche Gedanken am nächsten Tag wieder aufgreifen zu können.

Obwohl die Hände etwas „zittriger“ geworden sind und die Zeiten eines gerade geführten Freihand-Strichs längst vorbei sind, benötige ich mit ein paar kleinen Korrekturen hierfür nur wenige Minuten.
Mein altes Becker-CAD ist viel langsamer und auch umständlicher.

Im Anhang findet ihr eine solche Handskizze als Design-Entwurf.
Sie bildet in der Regel die Grundlage für das Herantasten an die endgültige konstruktive Gestaltung.

Vor einem ersten Konstruktionsentwurf, fassen wir die bisher rechnerisch ermittelten Größen nochmals zusammen:

1 Laufrad, Durchmesser 80 mm,
3 Düsen mit einem Querschnitt von 2 mm², demnach
3 Verdampferkammern F_Vd ≈ 20 cm²,
1 Vorwärmer F = 26 cm².

Der Außendurchmesser unserer Turbine wird weitgehend vom Rad-Durchmesser bestimmt.

Das Turbinengehäuse wird zur Senkung der Außenhaut-Temperatur wiederum doppelwandig ausgeführt; ähnlich unserem geregelten Durchlaufkessel.
Im Gegensatz hierzu leiten wir aber zur Kühlung nicht die vorzuwärmende Gebläseluft durch die Doppelwand, sondern den Abdampf der Turbine.
Der Dampf verlässt die Turbinenschaufeln mit ca. 100 °C und wird auf seinem Weg zum Schornstein weitere Wärme von den Brennraumwänden aufnehmen. Hierdurch wird der Abdampf zwar überhitzt, aber frei von Kondensat sein.
Die Außenhaut wird deshalb deutlich mehr als „handwarm“, aber der Isolieraufwand wird sich auf eine Lage Nefalit oder Kork beschränken lassen.

Unsere Verdampferkammer soll eine innere Heizfläche von ca. 20 cm² haben.
Bekanntlich haben Kugeln bzw. Geschoss- oder Torpedo-Formen nicht nur eine günstige Aerodynamik, sondern auch die größte Oberfläche im Verhältnis zu ihren Raumbedarf.

Wir entscheiden uns also für eine, den Letztgenannten sehr ähnliche Form.

Durch außen angebrachte Rippen wird nicht nur die Heizfläche vergrößert, sondern der Verdampfer im Brennraum fixiert.
Neben der von außen zugeführten Verbrennungsluft für die drei Standard- Gasbrenner wird dem  Brennraum über einen Luftverteiler Gebläseluft zugeführt und mit den Verbrennungsgasen gemischt. Diese mäßige Zusatzluftmenge sorgt einerseits für die so genannte „erzwungene, turbulente Konvektion“ und andererseits neben einer ausreichenden Abgasgeschwindigkeit für die Überwindung der Strömungswiderstände des Vorwärmers.
Die Abgase werden vor dem Eintritt in den Vorwärmer durch Drall-Diffuser verwirbelt.

Der Vorwärmer besteht aus acht, hintereinander geschalteter Flachspiralen aus Kupferrohr; er arbeitet im Gegenstrom-Verfahren und seine Rohre werden vorwiegend quer angeströmt.
Ein Speisewasserverteiler führt das Speisewasser zu den Sprühdüsen in den Verdampfern.

Eine vereinfachte Darstellung dieser Turbine zeigt die angehangene Zeichnung.
Zum Größenvergleich dient der Skalier-Maßstab.

Hallo Georg

Woher nimmst Du nur immer die guten Ideen für solche Konstruktionen?

So eine DT habe ich noch nie auch nur als Konzeptskizze gesehen und konnte mir ehrlich gesagt nicht viel darunter vorstellen. Das wird ja wieder interessant werden hier  top

Gruss, Doggie

Hallo Doggie,

so ist das eben mit den ,,Erfindungen".
Vor der Realität steht immer erst eine entscheidende Idee.

Mein Freund und Partner, unserer Forenmitglied Konni, ist der Meinung:
,,... das Ding wird ein Riesen-Wurf".

Es ist noch einiges an ,,Gehirnschmalz" und an Arbeit zu investieren, aber wir sind guten Mutes, damit dem Antrieb von Echtdampf-Modellen neue Möglichkeiten zu eröffnen.

Beim ersten Start kurz vorwärmen und ab geht  die Post.

Ha, ha, ha! ... und du, mein lieber Erik könntest deinen Enkeln erzählen, dass du dabei warst.

Zitat von: Turbo-Georg am 29 November 2014, 12:32:26
Ha, ha, ha! ... und du, mein lieber Erik könntest deinen Enkeln erzählen, dass du dabei warst.

Das mit den Enkeln wird wohl noch etwas dauern  :wink:
Aber die Geschichte wird wohl dereinst erzählenswert sein.

Ich glaube auch, dass das Ding ein Riesenwurf ist. Vor allem, da diese Auslegung einer DT den knappen Bauraum in Modellbooten sehr effizient nutzt.

Da Du ja nach Modellbauern mit ausgeprägtem Hang zur Dampfturbine suchst; Ich habe mir bereits überlegt, ob ich diese Konstruktion mit meinen Mitteln (Zeit, Finanzen und Ausrüstung) bauen könnte. Könnte gehen. Werde mich bei Dir melden, wenn ich darf...

Gruss, Doggie

Hallo Doggie,
du kämst deinem alten Wunsch, das Modell eines ,,Vierschraubers mit mehreren Turbinen" zu bauen, damit deutlich näher.
Meiner vollsten Unterstützung kannst du gewiss sein.
Ich würde mich auf eine Zusammenarbeit freuen.

Liebe Modellbaufreunde,
im Gegensatz zur Modelldampfturbine mit Stumpf-Schaufeln, für die ich nahezu komplette Angaben zum Bau eines Prototyps gemacht habe, werde ich bei der direkt beheizten Dampfturbine hiervon Abstand nehmen.
Stattdessen werde ich mich auf grundlegende Bauhinweise beschränken.
Ich möchte damit nicht nur den unterschiedlichen, technologischen Gegebenheiten Rechnung tragen, sondern auch der eigenen Phantasie und Kreativität der Modellbauer Raum schaffen.
Ein Hauptaugenmerk wird dabei den wichtigen Experimenten zur optimalen Dimensionierung der Verdampfer gelten.

Der Turbinenteil ist für uns im Augenblick in sofern von zweitrangiger Bedeutung, als dass wir hier im Wesentlichen auf die Bauhinweise zur einstufigen Version der Stumpf-Turbine zurück greifen können.
Aus Gründen der Einfachheit verzichten wir anfangs auf Mehrstufigkeit ebenso, wie auf eine integrierte Rückwärtsturbine.
Wie bereits eingangs begründet, setzen wir stattdessen auf die Beaufschlagung über mehrere Düsen bzw. mehrere Verdampfer und greifen zum Manövrieren des Modells auf Wendegetriebe oder Verstellpropeller zurück. Für modernere Modelle wäre auch eine Kombination mit Pod- oder Jetantrieben denkbar.

Ich bin mir ziemlich sicher, dass sich irgendwann die Frage nach höherer Leistung stellen wird.
Die Gestaltung des Schaufelrades bietet noch einige Möglichkeiten zur optimalen Anpassung an den speziellen Einsatz in der direkt beheizten Dampfturbine.
Ein erster Schritt in diese Richtung ist die geänderte Schaufelanordnung gegenüber dem Rad des Stumpf-Prototyps.
Diese radiale Beschaufelung ist zwar für die Abdampfführung strömungsgünstiger, wird aber mit dem Nachteil erkauft, dass nur noch 30 Schaufeln auf dem Schaufelkranz unterkommen, damit sinkt der Gesamtwirkungsgrad um weitere 15 %.

Eine erfolgreiche Umsetzung der Idee zu einer direkt beheizten Modelldampfturbine steht und fällt mit der Funktion der Verdampfer.

Es ist unbedingt ratsam, Form und Größe der Verdampfer, die erforderlichen Mengen an Gas und an Zusatzluft, ggf. auch die Form der Befeuerung vorher auf einem kleinen, externen Prüfstand  zu ermitteln.

Um erfolgreich Tests durchzuführen, müssen nicht nur die Ziele der Tests klar umrissen werden, sondern die einzelnen Testergebnisse müssen dokumentiert werden, um sie  nachvollziehbar zu machen.
Auch ungünstige Ergebnisse liefern letztlich wertvolle Erkenntnisse.
 
Gegenstand weiterer Untersuchungen wären darüber hinaus eine betriebssichere, elektronische  Zündanlage, vor Allem vor dem Gesichtspunkt einer späteren Leistungsregelung durch Abschaltung einzelner Brenner und ihrer sicheren erneuten Zündung, sowie für den Dauerbetrieb geeignete Zahnradpumpen zur Speisewasserförderung und Gebläsen für die Zusatzluft.

Hallo  Georg  ,

Eine sehr hochinteressante Projektstudie die von Dir nun als Realisierung ansteht , ideal auch für diejenigen Modellbauer
die kleinere Schiffseinheiten bauen und damit räumlich begrenzt sind .  Ich glaube die grössten Schwierigkeiten bereiten
wohl die Entwicklung der Brennkammern und des damit verbundenen Dampferzeugungssystems .
Als Laie möchte ich mal die Frage stellen , welche Vorteile die von Dir bevorzugte externe Speisewasserversorgung gegenüber eines geschlossenen Systems mit Kondensator bringt , dieser hätte doch den Vorteil das bereits warmes Wasser
wieder in den Kreislauf gepumpt werden könnte ,  der Nachteil wäre dann das von aussen kommende See-Kühlwasser .


                                              Lieber Georg  , für Dein Projekt wünsche ich Dir den bestmöglichen Erfolg  ,         Grüsse  Günter

Edit :  Da mein Beispiel eines GUD-Blocksystems für Wirbel sorgte , habe ich dieses wieder aus meinem Beitrag gelöscht , ich
          hoffe dass damit wieder Ruhe einkehrt und das Thema wieder ohne störende Einflüsse weiterentwickelt werden kann
                                         

Hallo Modellbaufreunde,
ich hoffe, dass irgendjemand auf den letzten Beitrag antwortet.

Ich will nicht unhöflich sein, aber unser Freund hat mal wieder überhaupt nicht verstanden, worum es geht.
Unsere direkt beheizte Dampfturbine hat mit einem GUD-Kraftwerk absolut nichts zu tun.

Die Idee ist offensichtlich noch zu neu, als dass man sich darüber bei Wiki schlau machen könnte oder sich ,,etwas zusammengoogelt".

Ich bitte auf Grund schlechter Erfahrung aber von endlosen ,,Off-Topik-Diskussionen" abzusehen.

Ich würde diesen Beitrag sehr gerne fortsetzen

Moin  ,  das GUD - Blocksystem habe ich mal als Beispiel gebracht wie die Hochtemperatur-Abgase für die Dampferzeugung
genutzt werden für die Dampfturbine , und diese 2. Stufe ist ja in etwa Teil des neuen Projektes . Schön wäre es wenn ich
auf meine Frage auch eine Antwort bekommen könnte . Sollte Dein neues Thema nun nur noch Monolog- Beiträge beinhalten
so gebe bitte bekannt , dass zukünftig keine Fragen mehr erwünscht sind .
                                                                                                                                                                    :MG:

Hallo Günther

Der GuD-Antrieb in einem Schiff nennt sich COGAS-Antrieb* und findet aus gewichtigen Gründen nur bei sehr grossen Schiffen Anwendung.

Du hast Dir ja eigentlich im ersten Post schon eine deiner Fragen selber beantwortet: Der vorliegende Entwurf ist sehr raumsparend.
Ich meine ferner, dass dieses Konzept im Vergleich mit anderen Konzepten auch kostengünstiger gebaut werden kann. Ich z.B. habe hier leider auch kein Eselchen mit metallischem Durchfall im Stall stehen. :roll:

Wenn ich meinen, zugegebenermassen etwas sehr irrwitzigen Plan eines "Vierschraubers mit mehreren DTs" realisieren will, dann muss ich recht grosse Kompromisse zwischen meinen Wünschen und der Realisierbarkeit derselben machen. Ich denke, der vorliegende Entwurf ist ein sehr guter Kompromiss für genau dieses Ziel. Georg hat bereits darauf hingewiesen, dass wir hier keine maximale Treibstoffeffizienz erwarten können und wollen. Das ist nicht die eierlegende Wollmilchsau  :angel:

Diese DT vereint aus meiner Sicht folgende Hauptvorteile: "Kostengünstig", leicht, raumsparend
Nachteile gibt es natürlich auch: Keine Mehrfachnutzung der Abwärme im Abgas, keine Nutzung des Abdampfes ausser zur Kühlung des Gehäuses und eine nicht für alle Komponenten optimale Strömung von Verbrennungsgasen und Dampf.

Dass die Entwicklung der Brennkammern und der Verdampfer ein Knackpunkt ist, hat Georg doch gerade im Beitrag vor Deinem geschrieben. Auch auf die anderen Vor- und Nachteile ist er eingegangen. Da muss er sich doch veräppelt vorkommen, wenn Du genau dies noch mal wiederholst und ihm dazu ein völlig anderes Konzept um die Ohren haust. Meinst Du nicht?

Georg will sicher keinen Monolog führen, aber man sollte sich schon genau durchlesen, was er schreibt, bevor man hier etwas schreibt.

Schau, ich wollte selber auch schnellschnell auf Georgs Ausführung des Problems der Zündung des Systems antworten. Zum Glück habe ich nicht, denn nach einiger Überlegung habe ich meine erste Idee selber wieder verworfen, da für diese Anwendung untauglich. Dieser Thread ist rein technischer Natur, nur auf diesen Entwurf begrenzt und soll die sich ergebenden Problemstellungen erörtern.
Was alles sonst noch möglich wäre, sollte hier aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen werden (Einschliesslich meines Beitrages, der bringt zum Thema eigentlich gar nix  ::Y>).
Natürlich ist die von Dir aufgebrachte Idee einer Diskussion würdig. Ich und sicher auch andere würden sich mit Dir gerne über den COGAS-Antrieb* in einem von Dir neu gestarteten Thread unterhalten.

Gruss, Doggie

PS: Tut mir leid, ist etwas lang geworden... :embarassed:
*(für Combined gas and steam)

Danke Erik,
du hast mir aus der Seele gesprochen.

Vielleicht erinnerst du dich, auf diese Weise wurde auch mein Thread:
,,Die Dampfkessel der DKM" zerschossen.

Hallo Georg

Ja, ich erinnere mich. Solche an sich schon umfangreiche Themenbereiche werden gerne mit Nebenfragen geflutet :-o

@Günther
Sicher können diese Nebenfragen beantwortet werden, das gibt die Möglichkeit neue interessante Themen zu eröffnen  :wink:
Deshalb geht geht es  hier  (http://www.forum-marinearchiv.de/smf/index.php/topic,22837.msg257437/topicseen.html#new)weiter mit dem Thema COGAS-Antrieb in einem Modellschiff.

Gruss, Doggie

Hallo Modellbaufreunde,
der Gedanke eines kombinierten Antriebes erschien mir zu abstrakt, als dass ich dafür Zeit zu investieren bereit war.

Ein wesentlicher Aspekt einer solchen Kombination ist Wirtschaftlichkeit.
Die niedrigen Wirkungsgrade,  mit denen wir bei Modellbau-Dimensionen zu rechnen haben, würden sich bei der Vielzahl der Anlagen-Komponenten multiplizieren.

Meine Überlegungen gehen in eine andere Richtung.
Minimaler Aufwand bei akzeptablen Ergebnissen.

Wenn ich bedenke, dass Reiners (turbine) Turbinenantrieb für die ,,Bismarck" mit lediglich einem Kondensator und einer Fahreinrichtung nach nunmehr fast sechs Jahren gemeinsamer Anstrengungen fertig zu sein scheint, kann ich mir nicht vorstellen, dass sich ein Modellbauer findet, der sich ernsthaft mit der Realisierung eines so komplexen COGAS-Antriebes auseinandersetzen würde.

Oben nannte ich die Notwendigkeit von klaren Zielvorgaben für die Verdampfer-Tests, sowie einer Test-Dokumentation.
Ich möchte deshalb die Aufgaben der Verdampfer und die damit verbundenen Erwartungen etwas präzisieren.

Über eine Sprühdüse erzeugen wir an der Innenwand des vorderen Verdampferteils einen permanenten Wasserfilm. Durch die vergrößerte Oberfläche beim Versprühen kann das Wassers noch vor dem Auftreffen auf die Innenwand einen Teil der Wärme aufnehmen, die zum Erreichen der Siedetemperatur erforderlich ist.
Der wesentliche Teil der notwendigen Flüssigkeitswärme i'₂ = 19 kcal/kg wird allerdings an der vorderen Heizfläche aufgenommen und führt zur so genannten Filmverdampfung (Punkt 1 des Wärmediagramms).

Die Position der Düse und die Form des Sprühstrahls sind so zu wählen, dass einerseits eine gute Benetzung der Heizfläche erfolgt und andererseits unter allen Umständen vermieden wird, dass das Speisewasser dem bereits erzeugten Dampf wieder Wärme entzieht.

Der entstehende Nassdampf drängt durch Volumenzunahme den bereits vorhandenen Dampf zum Dampfausgang im hinteren Teil des Verdampfers.
Auf diesem Weg nimmt der Dampf bis zu seiner Sättigung (Punkt 2) an den inneren Heizflächen unter einem Druck p = 1,4 at_a  die Verdampfungswärme
r = 533 kcal/kg auf.
In der kurzen Zuleitung zur Düse wird der Dampf durch die Rauchgase ggf. leicht überhitzt.

Durch die Tests wird entweder der Nachweis erbracht, dass unsere theoretischen Annahmen  in etwa zutreffen; oder anderenfalls werden nach Analyse der Dokumentation Maßnahmen ergriffen, um sich bei wiederholten Tests den gewünschten Ergebnissen zu nähern.
Welcher Art diese Maßnahmen sein könnten, wurde bereits erörtert.

Wir wollen in diesem Zusammenhang aber den Vorwärmer nicht vergessen, denn seine korrekte Funktion ist eine wichtige Voraussetzung für gute Test-Ergebnisse.

Bekanntlich hat er die Aufgabe, das in einem Tank mitgeführte Wasser mit einer angenommenen Temperatur von t _W = 20 °C für den Verdampfungsprozess vorzubereiten und seine Temperatur auf  90 °C zu erhöhen.

Ist z.B. die Verbrennungsgas-Temperatur vor dem Verdampfer zu hoch oder wir schießen bei der Dimensionierung des Vorwärmers nach der bekannten Devise
„Viel hilft viel“, über das Ziel hinaus, nähert sich die Wassertemperatur bereits außerhalb des Verdampfers dem Siedepunkt.

Es besteht die Gefahr, dass durch die unvermeidliche Wärmeaufnahme im Düsenrohr, die Verdampfung noch vor der Düse beginnt und ein schlecht komprimierbares Gemisch aus Wasser und Dampf eine korrekte Benetzung der Heizfläche verhindert.

Eine weitere Voraussetzung für erfolgreiche, insbesondere aber auch aussagefähige Tests, ist eine feinfühlige und reproduzierbare Dosierung der Massenströme wie Gas, Speisewasser und Zusatzluft.

Während die ersten Tests einer optimalen Gestaltung und Bemessung der Verdampfer für eine Verdampfungsleistung bei Nennlast dienen, sind die späteren Tests den Untersuchungen zur Leistungsregelung zu widmen.
Hierbei können erste Erfahrungen für das richtige „Anfahren“ gesammelt werden.
Die Verdampfer dürfen dabei weder trocken fallen und verglühen, noch dürfen sie „absaufen“.

Bekanntlich sind der Wärmeinhalt i oder genauer gesagt, das verfügbare
Wärmegefälle h des Dampfes, sowie die Dampfmenge G für die Leistung einer Turbine verantwortlich.
Verändert man einen dieser Werte, ändert sich demnach auch Ihre Leistung.

In unserem Fall ist es am einfachsten die Dampfmenge G zu ändern, indem wir die Speisewassermenge ändern.
Wie wir wissen ergibt z.B. 1 Gramm Wasser immer auch 1 Gramm Dampf.

Um eine geringere Wassermenge zu verdampfen, benötigen wir aber auch eine geringere Wärmemenge i’’ bzw. einen geringeren Wärmestrom Q.
Wenn wir die Wassermenge ändern, müssen wir auch die Einfluss-Größen des Wärmestroms Q ändern, also Gas und Zusatzluft.

Liebe Modellbaufreunde,
bevor ich darauf eingehe, wie solche aussagekräftigen Tests ablaufen könnten, was bei der Einrichtung eines Test-, bzw. Prüfstandes zu beachten ist, wie er aussehen könnte und welche Ausstattung an Geräten und Apparate sinnvoll oder in ihrer Beschaffung unabwendbar sind, möchte ich eine Anmerkungen machen.

Über etliche Jahre geht mein Bemühen, nicht nur den etablierten Dampfmodellbauern die Modelldampfturbine nahe zu bringen, sonder auch den Modellbauern, die dieser Antriebsart auf Grund ihrer schwierigen Herstellung und des komplexen, theoretischen Hintergrundes zurück haltend gegenüber standen.
Einige von Ihnen habe ich zwischenzeitlich bei ihren ambitionierten Projekten beratend unterstützt; wie ich meine mit Erfolg.
Die dabei gemachten Erfahrungen und neuen Erkenntnisse wurden von mir in eine kontinuierliche Weiterentwicklung der Idee vom Modell-Dampfturbinenantrieb eingebracht, und führten letztendlich zur

                       „Gas beheizten Modelldampfturbine“.

Diesen neuen und eher zutreffenden Bergriff möchte ich in die Terminologie der Modellbauer einbringen, nachdem ich davon ausgehen kann, dass die Leser inzwischen verstanden haben, was es damit für eine Bewandtnis hat.

Unsere ersten Versuche und Untersuchungen gelten der Gestaltung und Dimensionierung der Verdampfer.
Wir erstellen hierzu einen ersten Prototyp und fügen ihn in geeigneter Weise in einen Testaufbau ein. Welche Möglichkeiten der Herstellung sich dabei bieten, werde ich noch erläutern.
Vorrangig ist aber der Bau der Verdampfer-Test-Einrichtung.

Vorher möchte ich aber ausdrücklich auf die Einhaltung der elektrischen Sicherheitsvorschriften (z. B. VDE-100), sowie auf die geltenden Regeln des Arbeitsschutzes und des Brandschutzes hinweisen.
Die Versuche sollten in einem ausreichend großen, gut belüfteten Raum oder im ggf. überdachten Freiraum erfolgen. Schutzbrille und Handschuhe nicht vergessen!

Zum besseren Verständnis habe ich die Zeichnung einer solchen, weitgehend schematisch dargestellten Test-Einrichtung angehangen.
Ich werde nach und nach zu allen Komponenten Erläuterungen und wichtige Hinweise geben.

Über Eines sollten wir uns aber im Klaren sein:
Die Qualität der Testergebnisse kann nie besser sein, als die Qualität der verwendeten  Apparate und Messeinrichtungen.

Die Zeichnung zeigt:
Die eigentliche Testeinrichtung; einer Konstruktion aus zusammengesteckten Blechrohren, betriebssicher auf einer feuerfesten Unterlage montiert.
Sie besteht aus:
Dem Brennraum mit Verdampfer und Speisewasser-Zuführung in der Mitte,
dem Abgasrohr mit dem Dampf-Ausgang, rechts,
dem Brennerteil mit den Zuführungen für Gas, Verbrennungs- und Zusatzluft, links.

Des Weiteren:
Die Gas-Versorgung mit Gastank und Gas-Regelventil,
die Speisewasser-Versorgung mit Wassertank, Speisepumpe und Vorwärmer
und über die Zeichnung verteilt,
Komponenten der Messeinrichtung, wie Sensoren 1 und 2 als Fühler für Speisewasser- bzw. Dampftemperatur und ein Manometer zum Messen des Dampfdrucks.

...als LPG-Fahrer kleine Frage zwischendurch lieber Georg: Um welches Gas handelt es sich  :? 8-)

Grüße Ronny

Hallo Ronny,
Propan oder Propan- Butan-Gemisch.

Wir beginnen mit Gas-Versorgung und Brenner.

Für die ersten Beflammungsversuche mit Wasser-Zuführung ist unter Beachtung der Bedienungshinweise, ein preiswertes Kartuschen-Lötgerät aus dem Baumarkt, z.B. Rothenberger „Mini-Set“ geeignet. Sein 14 mm-Brenner dürfte für unsere Verdampfer ausreichend sein und ist für die späteren Einbauten in die Turbine auch einzeln erhältlich.

Dem geschickten Modellbauer wird es nicht schwer fallen, nach den ersten Versuchen das „Hand“- Regulierventil des „Mini-Set“ umzubauen und es in die stationäre Gas-Versorgung unserer Test-Einrichtung mit kleiner Camping-Gasflasche und Reduzierventil zu integrieren. 

Es wird mit einer Einstell-Skala versehen und kann wegen des besseren Gesamt-Überblicks, später mit den Einstellern von Speisepumpen-Motor, Gebläse-Motor und elektrischem Vorwärmer ggf. in ein Pult-Gehäuse oder ähnlich eingebaut werden.

Der Brenner wird danach in den Boden einer ausreichend langen Blechhülse eingebracht, die durch Aufstecken mit dem Verdampfer-Brennraum verbunden wird.
Um den Brenner wird der Hülsenboden mit einigen Bohrungen versehen, durch welche die Zusatzluft zur vorerst natürlichen Konvektion einströmen kann.

Für die Zuführung der Verbrennungsluft sind die Brenner bereits ab Werk mit Öffnungen versehen, die so bemessen sind, dass in Abhängigkeit von der regulierten Gasmenge eine annähernd optimale Verbrennung stattfindet. Diese Verbrennungsluft sollte deshalb über entsprechende Luftschlitze immer dem Umgebungs-Luftdruck entnommen werden und nicht etwa dem später verwendeten höheren Gebläse-Luftdruck.
Die Zündung des Brenners erfolgt vorerst von Hand; mit der elektronischen Zündung werden wir uns später befassen.

Aber wir sollten bedenken, dass Baumarktqualität häufig mit Abstrichen zu genießen ist.
Lieber ein paar Euro mehr in die Zukunft investieren, als in ein allzu billiges Provisorium.

Es macht also durchaus Sinn, offenen Auges durch Baumarkt- bzw.  Camping-Abteilungen zu ziehen.

Zu  Brenner und Ventil aus dem „Mini-Set“ gibt es nämlich auch Alternativen; bei etwa gleichem Durchmesser  z.B. die kürzeren Brenner der Gaslötkolben
(... Rothenberger, Dremel usw.).
Alles was wir darüber hinaus für eine gut funktionierende Gasversorgungs-Einrichtung benötigen, findet sich beispielweise im Camping-Gaskocher
GAZ „Camp Bistro“ ab 20,- €.

Neben einem gut regulierbaren Gasventil, das sich später ggf. durch ein Servo betätigen lässt, einen Piezo-Zünder und den Anschluss für Gas-Kartuschen, die auch liegend betrieben werden können, findet sich auch eine Brenner-Zuleitung aus Kupfer.

Bei der Wasserpumpe könnte man auf verschiede Anleitungen zum Selbstbau von elektrisch betriebenen Speisepumpen zurück greifen.
Mit entsprechend leistungsfähigen Gleichstrom-Motoren sind sie auch im Dauerbetrieb recht robust und zuverlässig. Bei ausreichender Fördermenge erzielt man problemlos den nötigen Wasserdruck.
In unserem Fall bei Turbinenbetrieb:
1,2 g/s • 3600 = 4,32 kg/h, als ≈ 5 kg/h bzw. 5 l/h, bei einem Druck von > 2 bar.

Ihr meist lautes, nagelndes Geräusch und die Vibrationen sind allerdings  gewöhnungsbedürftig.

Komfortabler sind in dieser Hinsicht Zahnradpumpen. Auch für sie würde bei einem Betriebsdruck von > 2 bar eine Förderleistung von mindesten 5 l/h gelten, meisten liegen die Angaben aber deutlich darüber.
Der häufig bei ihnen angegebene so genannte Staudruck, müsste dann aber entsprechend höher sein (≈ 4 bar).
Für den Modellbau angebotenen Zahnradpumpen sind zwar vergleichweise preiswert, aber sie  sind selten für Dauerbetrieb geeignet. Ihre Motoren werden meistens schnell heiß, mitunter laufen aus Messing gefertigte Zahnräder mit lautem Getrieberaspeln auf Kunststoffwellen und verschleißen schnell, bei anderen fanden sich Abrieb-Späne in der Leitung, sie sind ggf. auch zu schwer oder haben einen hohen Stromverbrauch.

Es gäbe also Einiges, worauf man beim Kauf achten sollte.

Beim Vergleichstest unter verschiedenen Fabrikaten als noch am besten geeignet, zeigte sich die Zahnradpumpe ,,TOPSFLO" TG 02 BT für 12 V =, Preis: ≈ 24,- €.

Sie besitzt 4 PPS-Zahnräder auf Edelstahlwellen gelagert. Durch die schräg verzahnte Doppelverzahnung zeigt sie sehr hohe Laufkultur; ohne Raspeln oder Zähneknirschen.
Diese Bauweise lässt eine hohe Lebensdauer erwarten. Betriebszeiten von bis 15 Minuten sind ohne Unterbrechung möglich; bei Kühlung des Motors auch entsprechend mehr.
Zur Kühlung könnte die Ansaugleitung aus Kupferrohr mit einigen Windungen um das Motorgehäuse gelegt werden, oder bessere die Rohrwindungen werden auf ein passendes Kupferrohr gelotet und mit Wärmeleitpaste versehen über das Motorgehäuse geschoben.

Der elektrische Vorwärmer würde auf ähnliche, jedoch umgekehrte Weise funktionieren; also Heizen statt Kühlen.
Am einfachsten stellt man ihn her, indem man ebenfalls eine ausreichende (?) Anzahl von Kupferrohr-Windungen auf ein passendes Stück Kupferrohr lötet und über einen preiswerten 220 V ,,Import"-Lötkolben von mindestens 150 Watt schiebt.
.
Die Regelung der Wassertemperatur erfolgt über einen handelsüblichen Dimmer-Adapter, der zwischen Lötkolben und Steckdose geschaltet wird.
Selbstverständlich kann man auch nur das Heizelement des Lötkolbens einsetzen, die Wärmeübertragung wäre mit Sicherheit effizienter, aber erfahrungsgemäß ist ein Lötkolben meistens billiger als ein Ersatz-Heizelement und man erspart sich die unbedingt betrieb- und unfallsichere 220 V-Installation.
Eine temperaturfeste Wärmeschutz-Isolierung wäre aber zu empfehlen.

Rein rechnerisch sind 150 Watt ausreichend um 24 g Wasser pro Minute von 20 °C auf 90 °C aufzuheizen, wenn es gelingt diese als Wärmeenergie wirklich auf das Wasser zu übertragen.
Wie wir aber zwischenzeitlich wissen, ist eine solche Wärmeübertragung schwieriger als es im ersten Moment den Anschein hat.
Es müsste also mal wieder experimentiert werden.

Es gibt natürlich auch professionellere Lösungen, z.B. 250 W Heizpatrone, MAXIWATT, oder teurere Hochtemperatur-Heizelemente, aber nur zum Testen der Verdampfer könnte man darauf verzichten.
Bei den Tests und dem späteren Betrieb der Turbine wird das Speisewasser bekanntlich durch einen integrierten Rohrbündel-Vorwärmer erhitzt.

Der eigenen Kreativität sind aber auch in diesem Fall keine Grenzen gesetzt.

Hier noch ein Nachtrag für Freaks:

Für die Erhitzung des Speisewassers in unserem Rohrbündel-Vorwärmer haben wir oben den erforderlichen Wärmestrom ermittelt.

Q = 4,3 kg/h • (i' - i₁') = 4,3 • (90 -20 kcal/kg) = 4,3 • 70 = 301 kcal/h.

Wassermenge 4,3 kg/h gelten dabei für die Versorgung von drei Verdampfern.

Für einen einzelnen Verdampfer benötigen wir demnach nur 1,44 kg/h.

Der Wärmestrom für den elektrischen Vorwärmer ist somit:

Q = 1,44 kg/h • (i' - i₁') = 1,44 • (90 -20 kcal/kg) = 1,44 • 70 = 100,8 kcal/h.

Umgerechnet in elektrische Leistung:

N_V  = 100,8 kcal/h : 860 kcal/kW = 0,117 kW/h ≈ 120 W/h.

Als Beispiel einer sehr guten Lösung.

Heizpatrone 230V 250 W,

Preis: 20,50 €

Zur Messung der verschiedenen Temperaturen muss es nicht unbedingt ein
Vierkanal-Temperaturmessgerät für die gleichzeitige Messung von vier Temperaturen sein oder gar ein Data-Logger-Temperaturmessgerät mit PC-Schnittstelle zur Protokollierung von bis zu 16.000 Messungen. Aber ein 2-Kanal Temperatur-Messgerät wie z.B. VOLTCRAFT K 102 von Conrad wäre schon von Vorteil.
Es geht jedoch auch preiswerter.
Wichtig ist, dass unterschiedliche Messsonden angeschlossen werden können.

Für die beiden Messpunkte Wassertemperatur (Sensor 1) und Dampftemperatur (Sensor 2) verwenden wir Draht-Temperaturfühler, deren Sonden sich am Ende eines temperaturfesten Kabels von ausreichender Länge befinden.
Wir bauen sie druckdicht in ein Rohr-T-Stück (... kleine ERMETO-Verschraubung) ein, sodass die Sonde in den Strom des Fluid ragt. In unserem Fall sollten diese beiden Fühler mindesten für einen Messbereich bis 300 °C ausgelegt sein.

Wie die schematische Darstellung zeigt, erfolgt die Messung der Dampftemperatur in der Zuleitung unmittelbar vor der Düse. Hinter der Düse zu messen ist unsinnig, da der entspannte Dampf bei Umgebungsdruck immer etwa 100 °C hat, unabhängig davon, wie hoch die Dampftemperatur vor der Düse ist.

Die Wassertemperatur wird in der Zuleitung vor der Turbine bzw. im Testbetrieb vor dem Versuchsaufbau gemessen.

Mit einem wahlweise anzuschließenden so genannten Einstech-Fühler von ca. 2 mm Durchmesser und 150 mm Länge, Messbereich bis ca. 1.300 °C, messen wir im Kamin die Abgastemperatur bzw. über kleine Bohrungen im Turbinengehäuse oder dem Brennraum der Verdampfer-Test-Einrichtung, die Temperaturen des Heizgasstroms.

In einer späteren Testphase benötigen wir einen kleinen 12 V Lüfter zur Erzeugung einer ausreichenden Zwangskonvektion im Brennraum.
Gut eignen sich Axiallüfter; sie sind in den unterschiedlichsten Abmessungen für wenige Euro im Elektronik-Fachhandel erhältlich.
Es ist also durchaus vertretbar, für die Verdampfer-Tests einen kleineren und für den späteren Einbau in das Turbinen-Gehäuse einen entsprechend größeren Lüfter zu beschaffen.

Die Drehzahl des Lüfters wird, wie auch die Drehzahl der Speisepumpe, mit einem
PWM-Drehzahlsteller (Pulsweitenmodulation) geregelt; diese Drehzahlsteller sind ebenfalls im Elektronik-Fachhandel, ggf. als Bausatz zu beziehen.
Ihre Stell-Potis werden mit einer Skala (z.B. 0 - 100%) versehen und wie bereits oben empfohlen, in ein Pultgehäuse o.ä. eingebaut.
Der Drehzahlsteller der Speisepumpe sollte allerdings mit mindesten 5 A Ausgangsstrom belastbar sein. Die Stromversorgung erfolgt über ein Netzgerät
12 V/10A.

Zu erwähnen wäre noch das kleine, gut ablesbare Manometer mit einem Messbereich von max. 2 bar, dass über ein T-Stück an die Dampfleitung angeschlossen wird.

Übrigens: Die Dampfleitung sollte einen größeren Querschnitt besitzen als die Düse.
Unsere Düse hat 2 mm² (1,6 mm Ø), also nehmen wir für die Zuleitung Kupferrohr mit einem Innen-Durchmesser von mindestens 2 mm (... bei (d² • л) : 4 = 3,14 mm²).

Somit wäre die Test-Einrichtung komplett und wir können uns den Gestaltungsmöglichkeiten der Verdampfer zu wenden.

Euch allen wünsche ich,

Frohe Weihnachten und ein glückliches Neues Jahr.

Liebe Modellbaufreunde,
beim nochmaligen Überlesen des Beitrages musste ich feststellen, dass in der
Antwort #42 der Anfang fehlt; offensichtlich unvollständig kopiert.

Ich möchte hiermit diese nicht unwichtigen Aussagen zur Speisewasserversorgung nachreichen.

Vielleicht besteht auch die Möglichkeit, diesen Textteil nachträglich durch einen Moderator an der betreffenden Stelle einzufügen.



Bei der  Speisewasser-Versorgung benutzen wir zur Bestimmung der Verbrauchsmenge G neben einer Stoppuhr, einen geeichten Wasserbehälter oder Messzylinder.
Für eine möglichst genaue Ablesung sollte hohen, schlanken Behälter mit entsprechender Skala der Vorzug gelten.
Gut eignen sich für ~ 10,- € die Klarsicht-Kunststoff-Messzylinder der
Fa. Vitlab GmbH mit einem Fassungsvermögen von 1000 ml und einer Ablesegenauigkeit von 10 ml.
Sie lassen sich leicht mit einer  Bohrung zum Einkleben einer Schlauchanschluss-Tülle oder besser noch einem kleinen Absperrhahn versehen.
Ihr Wasservolumen reicht dann einerseits zur späteren Verwendung bei den Turbinentests mit
G_min = 1,2 g/s • 60 = 72 g/min etwa 14 Minuten, andererseits ist die Ablesegenauigkeit beim Test einzelner Verdampfer mit 
G_min = 0,4 g/s • 60 = 24 g/min hinreichend genau.

Die Entwicklungsziele hinsichtlich der Verdampfer habe ich oben erläutert.

Die angestrebte ,,spontane" Verdampfung erfordert besonders im vorderen Teil der Verdampfer eine hohe Heizflächenbelastung durch direkten Kontakt mit der Flamme.

Eine spitze, scharfe Flamme, wie wir sie zum Hartlöten bevorzugen würden, bewirkt jedoch eine hohe Wärmekonzentration auf kleiner Fläche und somit eine starke Beanspruchung der Verdampferwand.
Mit einer eher weichen Rauschflamme beaufschlagen wir großflächig die äußere Oberfläche des Verdampfers sowie der mit ihm verbundenen Rippen, ohne dass es dabei zum Anschmelzen ihrer Kanten kommt.
Wir unterstützen diese Wirkung durch eine möglichst ,,aerodynamische" Formgebung.

Neben einer bestens geeigneten Verdampferform ist es also wichtig, den günstigsten Abstand zwischen Brenner und Verdampfer und ein optimales Flammenbild zu finden.

Die einfachste Art, einen Verdampfer herzustellen, ist ein entsprechend langes Stück Kupferrohr von 12 bis 15 mm Durchmesser an den beiden Enden mit hierzu passenden Rohrkappen (Rohrfittings) hart zu verlöten.
Eine Kappe wird mit einer Bohrung versehen, in die die Dampfleitung hart eingelötet wird.
Zur Vergrößerung der äußeren Heizfläche (Verbrennungsgas) werden darüber hinaus Rippen auf das Rohr gelötet.
Die innere Heizfläche (Dampf) lässt sich vergrößern, indem das Rohr mit Schlitzen versehen wird, in welche die zu verlötenden Rippen so eingesetzt werden, dass ein Teil der Rippen in das Rohr hineinragt, ohne allerdings das eingelötete Düsenrohr zu berühren. 

Durch Treiben über einem passenden Stück Hartholz oder Kunststoff lassen sich die Kappen oder das Rohr in gewissen Grenzen etwas strömungsgünstiger gestalten.

Alternativ bietet sich die Möglichkeit das Verdampfergehäuse aus nur zwei Teilen zu erstellen.
Hierzu wird ein entsprechend längeres Stück Kupferrohr wiederum durch Treiben über einem Formstück an einem Ende soweit geschlossen, dass lediglich eine Öffnung zum Einlöten der Dampfleitung verbleibt.
Das ggf. halbkugelförmige Gehäuse-Vorderteil wird ebenfalls über einer Form getrieben oder mit einer ,,Kugelpunze" aus einem runden Stück Kupferblech geschlagen. Dieses Formteil wird auf den übrigen Gehäuseteil aufgelötet, nachdem der Einbau von Rippen und Düsenrohr erfolgte.
Es wäre auch denkbar, das Vorderteil aus einem temperaturbeständigeren, aber lötfähigen Material herzustellen; die u.U. schlechteren Wärmeleiteigenschaften müssten dann in Kauf genommen werden.

Übrigens, bei Kugelpunzen handelt es sich um typische Goldschmiede-Werkzeuge verschiedener Durchmesser. Mit einer passenden Matrize oder einer so genannten Anke, können damit aus Blech entsprechende Formteile geschlagen werden. Sie sind im Handel für Goldschmiedebedarf für einige Euro neu oder auf Antik- und Sammlermärkten auch gebraucht erhältlich. Eine Anke, immer für mehrere Durchmesser ausgelegt, ist allerdings etwas teurer.

Ich glaube es erübrigt sich, darauf hinzuweisen, dass beim Treiben von Kupfer die Werkstücke zwischendurch wieder weich geglüht werden müssen.

Liebe Modellbaufreunde,
ich möchte mich nun in einem besonderen Maße dem Thema Speisewasser-Düsen zuwenden.
Ambitionierte Modellbauer sollten diesem Thema ihre besondere Aufmerksamkeit schenken.

Die Speisewasser-Düsen erscheinen im ersten Augenblick wie normale Bauteile und man ist schnell geneigt ihre Bedeutung zu unterschätzen; sie sind aber nicht nur sehr wichtige Bauteile, sondern ihnen kommt sogar eine gewisse Schlüsselfunktion zu.
Man kann mit Fug und Recht behaupten:

Je besser sie ihrer Aufgabe gerecht werden, je besser funktioniert das gesamte System.

Ich darf noch einmal in Erinnerung rufen, dass wir das vorgewärmte Speisewasser nicht einfach in Form eines Strahls zuführen wollen, sondern durch Versprühen oder besser durch Zerstäuben auf der vorderen, inneren Verdampferwand einen permanenten, dünnen Wasserfilm anstreben.
Durch das Zerteilen des Wasserstrahls in eine Vielzahl mehr oder weniger großer Tröpfchen wollen wir nicht nur eine gleichmäßige Verteilung auf der inneren Heizfläche erzielen, sondern die Vergrößerung der freien Wasseroberfläche soll auch eine schnellere Wärmeaufnahme gewährleisten.

Das Versprühen oder Zerstäuben erfolgt bekanntermaßen durch Düsen.
Wir kennen sie aus einer Vielzahl alltäglicher Anwendungen, dennoch dürften der Mehrheit die komplexen, physikalischen Zusammenhänge und Abläufe hinter dem ,,kleinen Loch" unbekannt sein.

Bevor wir versuchen uns unseren Vorstellungen durch zeitraubendes und mehr oder weniger ,,wildes Herumexperimentieren" zu nähern, halte ich es doch für sinnvoll, einige grundsätzliche Aussagen zur Theorie und Praxis der Zerstäubungstechnik zu machen.

Wollen wir die etwa halbkugelförmige Heizfläche im Innern des Verdampfer-Vorderteils gleichmäßig mit Speisewasser benetzen, so ist ein kreisförmiger Strahlquerschnitt erforderlich. Sein Durchmesser von 10 bis 15 mm hängt sowohl vom Spritzwinkel als auch Spritzabstand ab.
Wir sprechen von
                               Vollkegel-Spritzcharakteristik.

Zum Aufbrechen des Wasserstrahls und seine Aufteilung in Tröpfchen, das heißt  zur Überwindung der Oberflächenspannung des Wassers, ist Energie bzw. Arbeit zuzuführen.
Diese für den Zerstäubungsprozess erforderliche Energie wird entweder von einem mit hoher Geschwindigkeit strömenden zusätzlichen Gasmassenstrom (Treibgas) geliefert, oder es wird die kinetische Energie des Flüssigkeitsstrahls des unter Druck stehenden Fluid genutzt.
Wir unterscheiden also zwischen Einstoff-Druckdüsen und Zweistoff-Düsen.
Letztere scheiden in unserem Anwendungsfall aus, denn die nötige Energie wird in Form von Wasserdruck durch eine geeignete Speisepumpe geliefert.

Wir konzentrieren uns also auf

                                     Einstoff-Vollkegel-Druckdüsen

und ersparen uns die Betrachtung anderer Düsenarten und ihrer Vielzahl von Spritzcharakteristiken.

Wieder einmal sind es die Modellbau bedingt, kleinen Abmessungen und die vergleichsweise kleinen Volumenströme, die es nahezu unmöglich machen, die Erfahrungen und die Berechnungsregeln der industriellen Zerstäubungstechnik zu übernehmen.
Aber selbst da ist das Zerstäuben kleiner Volumenströme durch eine Einstoff-Druckdüse nicht unproblematisch. Die besonderen strömungs- und zerstäubungstechnischen Maßnahmen zur Problemlösung sind aber bei den Dimensionen des Modellbaus kaum anwendbar.

Eine Vielzahl von Einflussgrößen bildet die Voraussetzung zur Zerstäubung eines flüssigen Mediums in einer Einstoff-Druckdüse.
Es ist nicht nur der Druck (p) oder besser die Druckdifferenz (∆p), die in Verbindung mit dem Düsen-Durchmesser (d) die Ausströmgeschwindigkeit (c) und somit den Volumenstrom (Q) bestimmen, auch Faktoren wie Dichte (γ) und Viskosität (η) sind ausschlaggebend.
Dichte und Viskosität sind wiederum von der Flüssigkeits-Temperatur (t) abhängig.

Erst eine bestimmte Relation der Einflussgrößen zu einander, schafft die wesentliche Grundvoraussetzung für den Zerstäubungsprozess; nämlich einen, für den Zerfall in einzelne Tröpfchen unbedingt notwendigen, turbulenten Strömungsverlauf an der Düsenöffnung.

Aus einigen der oben genannten Einflussgrößen kann man die, nach dem Physiker Reynolds genannte Reynoldszahl (Re) ermitteln; diese dimensionslose Größe gibt uns Auskunft, ob eine Strömung laminar oder turbulent ist.

                                       Re = (c • d • γ) : η.

Re = 2330 bezeichnet man als kritische Reynoldszahl (Re _krit. )
Danach gelten Strömungen mit Re < 2330 als laminar und mit Re > 2330 als turbulent.

Liebe Modellbaufreunde,
einigen von euch ist vermutlich nicht entgangen, dass ich mal wieder meine Probleme mit der Darstellung von physikalischen Formelzeichen habe.

Die meisten Word-Versionen verfügen über keinen Symbol-Zeichensatz für
IS-Formelzeichen der Physik. Ich denke dabei u.a. an die Symbole für Massenstrom oder Volumenstrom; einem kleinen m, bzw. ein großes V, mit jeweils einem Punkt • darüber.

Es gibt zwar einige Tricks, um solche Zeichen mit Word zu erzeugen, aber ihre Reproduktion wird nicht unterstützt und die Drucker geben nur ein unverständliches ,,Kauderwelsch" wieder.
Ich bitte euch also um Verständnis, dass ich auch hier wieder auf die alten Formelzeichen zurückgreife oder ggf. verwandte Zeichen verwende.

Ich werde in entsprechenden Legenden die von mir verwendeten Zeichen beschreiben und ihre Maßeinheiten nennen.

Wichtig erscheint mir, dass die Zusammenhänge richtig verstanden werden.

Bevor wir eine erste Berechnung wagen, schauen wir welche Ausgangsdaten uns zur Verfügung stehen. Es sind:

Speisewassermenge G = 0,4 g/s,
Speisewassertemperatur t_W = 90 °C,
Gegendruck p₀ = 0,4 bar.

Zugegebenermaßen, auf den ersten Blick nicht unbedingt viel.
Aber über den Volumenstrom Q könnten wir uns herantasten, denn den können wir aus der Wassermenge G (Massenstrom) und der Dichte γ berechnen.
Hierzu benötigen wir die Dichte γ des Wassers; und zwar bei t_W = 90 °C.

Wir finden sie in einer Stoffwertetabelle für Wasser (Internet).

Wasser-Dichte  γ _{90 °C} = 965 kg/m³.

Volumenstrom Q = G : γ = (0,4 • 10^-3 kg/s) : 965 kg/m³ = 0,41 • 10 ^-6 m³/s.

Wir ergänzen die Liste der Ausgangsdaten um einen ,,angenommenen" Düsen-Durchmesser. Mit Modellbaumitteln dürfte d = 0,3 mm die noch machbare Untergrenze bilden.
Das entspricht einer

Düsen-Querschnittsfläche F = [(0,3 • 10 ^-3)² • π] : 4 = 0,07 • 10^-6 m².

Aus dem Volumenstrom V ermitteln wir:

Düsen-Geschwindigkeit c = Q : F  = (0,41 • 10 ^-6) : (0,07 • 10^-6) = 5,8 m/s.

Wasser mit t_W = 90 ° C hat eine Viskosität η _{90 °C} = 0,315 • 10 ^-3 Pa s,
(lt. Stoffwertetabelle für Wasser).

Reynoldszahl Re = (c • d • γ) : η = (5,8 • 0,3 • 10 ^-3 • 965) : 0,315 • 10 ^-3 = 17.768.
Die Strömung ist also mit hoher Sicherheit ,,turbulent".

Die Gleichung der Ausströmgeschwindigkeit als Funktion der Druckdifferenz (∆p) stellen wir um nach

Druckdifferenz ∆p = (γ • c²) : 2 = (965 • 33,64) : 2 = 16.231 Pa = 0,1623 bar.

Der erforderliche Wasserdruck ist somit:

p₁ = p₀ + ∆p = 0,4 + 0,1623 = 0,5623 ≈ 0,56 bar.

Die niedrige Druckdifferenz hat mich anfangs schon überrascht; ich hatte einen höheren Wert erwartet.
Aber dann wurde mir an Hand einiger Beispiele aus dem Alltag klar, welcher geringe Druck zum Zerstäuben so kleiner Mengen benötigt wird.
Typische Beispiele sind Pump-Zerstäuber aus der Medizin bzw. der Kosmetik, wie z.B. bei Nasensprays oder kleinen Parfüm-Zerstäubern. Hier wirken sehr kleine Pumpendrücke auf die Oberfläche der Flüssigkeit, um sie in einer einfachen Düse zu zerstäuben.
Dennoch bin ich mir sicher, dass die Ergebnisse so einfacher Berechnungen die Wirklichkeit nur bedingt darstellen können, aber sie sollen ja in erster Linie einer Orientierung bei unseren Versuchen und Experimenten dienen.

Wir ermittelten den Volumenstrom V aus der Wasser- (Dampf)menge G und die ist bekanntlich für die Leistung unserer Turbine festgeschrieben. Es bieten sich also nicht viele Möglichkeiten bei den Versuchen die Werte der Einflussgrößen zu variieren.
Das heißt, dass z.B. die Veränderung des Düsendurchmessers d automatisch eine Änderung der Strömungs-Geschwindigkeit v nach sich zieht, beide Werte haben wiederum Einfluss auf die Reynoldszahl und damit auf den Strömungscharakter.

Beispiel: Wir vergrößern den Düsendurchmesser auf d = 0,5 mm; bei konstantem Volumenstrom V sinkt dann die Strömungsgeschwindigkeit auf c = 2,1 m/s.
Die Reynoldszahl Re = 3216 kommt ihrem kritischen Wert (2330) beträchtlich näher und eine turbulente Strömung ist nicht mehr mit der nötigen Sicherheit gegeben.
Die Druckdifferenz ∆p = 0,021 bar ist kaum noch stabil zu regeln.

Wir wissen bereits, dass die Zerstäubung kleiner Volumenströme in feinste Tröpfchen gleicher Größe (monodispers) mit einfachen Druckdüsen nicht unproblematisch ist.
Die Zerstäubungs-Profis bedienen sich hier ggf. besonderer strömungs- und zerstäubungstechnischer Hilfsmittel.
Unsere Anforderungen an das Spektrum der Tropfengröße halten sich in Grenzen.

In unserem Fall müssen die Tröpfchen auf ihrem Weg zur inneren Heizfläche den bereits erzeugten Nassdampf durchdringen, der bekanntlich selbst aus feinsten Wassertröpfchen besteht. Hierzu müssen die Tröpfchen über eine gewisse ,,Masse" verfügen. Auch dürfen die Tropfen von unterschiedlicher Größe sein, also ein ,,polydisperses" Größen-Spektrum besitzen.

Liebe Modellbaufreunde,
ich bin damit an das vorläufig Ende meiner Überlegungen gelangt und bedanke mich für das gezeigte Interesse.
Es handelt sich zweifellos um Dampf-Modellbau auf höchstem Niveau. Ich hoffe aber, dass ich einige Modellbauer dazu anregen konnte, durch eigene Versuche und Experimente dazu beizutragen, dass dieses  ,,... Ding ein Riesen-Wurf wird".

Euer Turbo-Georg

PS: ... per PN oder Email stehe ich gerne für Fragen und ,,Erfolgsmeldungen" zur Verfügung.

Liebe Modellbaufreunde,
ich habe bewusst einige Zeit verstreichen lassen, damit die vermittelten Informationen verarbeitet werden können und sich etwas ,,setzen".

Um der missbräuchlichen Verwendung meiner Veröffentlichungen zumindest ein Wenig entgegen zu wirken, habe ich wieder einige Rechenfehler  eingebaut. 
Die Rechengänge wurden zwar korrekt beschrieben, aber nach den ermittelten Ergebnissen eine solche Turbine zu bauen, dürfte von keinem großen Erfolg gekrönt sein.
Es handelt sich bekanntlich nicht um eine Bauanleitung, sondern um theoretische Überlegungen zu einer Idee
.
Ehrlich gesagt, ich hatte mit einigen Einwänden gerechnet, obwohl für ambitionierte Modellbauer, die sich mit dem Thema ernsthaft auseinander setzen, keine Schwierigkeiten bestehen, die Fehler zu finden.

Der korrigierte Beitrag steht als PDF-Datei (4,4 MB) zur Verfügung

Es ist natürlich ärgerlich, wenn man sich mit solchen Methoden gegen Schmarotzer wehren muß.

Zitat von: Turbo-Georg am 25 Januar 2015, 15:01:31
Ehrlich gesagt, ich hatte mit einigen Einwänden gerechnet, obwohl für ambitionierte Modellbauer, die sich mit dem Thema ernsthaft auseinander setzen, keine Schwierigkeiten bestehen, die Fehler zu finden.

Naja, die wenigsten Leser werden das nachrechnen, um Dich mit einem Fehler in Deinen Berechnungen vorzuführen  :angel:  Das Thema ist recht komplex, zudem - auch wenn es sicherlich reizvoll ist - in der Ausführung sehr anspruchsvoll, so daß der Kreis möglicher Kritiker doch überschaubar sein wird.

Wie Du ja weißt, lese ich bei den Dampfthemen auch mit obwohl ich selbst kein Modellbauer bin. Aber ich lerne gerne etwas dazu, und manche Arbeiten sind mir von meinen Hobbies nicht ganz unbekannt. Und weil ich solche irren Projekte einfach klasse finde  top

Hallo liebe Modellbaufreunde,
ich möchte hiermit kurz über den Entwicklungsstand der "Gas beheizten Modelldampfturbine" berichten.

In den letzten Wochen habe ich mich weitgehend mit der konstruktiven Gestaltung des Dampferzeugers, sowie der elektronischen Zündung auseinander gesetzt.
Im Anhang findet ihr eine Design-Studie als Freihandskizze mit der Darstellung der wichtigsten Komponenten.
Die zweite Zeichnung zeigt eine vereinfachte Schnitte-Darstellung des Dampferzeugers.   

In #Antwort 25 habe ich bereits darauf hingewiesen, dass das Turbinenrad dieses Entwurfes noch Verbesserungspotenzial enthält und das ggf. auch eine höhere Turbinenleistung erforderlich werden könnte.

Ich halte es daher für angebracht, das Laufrad von Gas beheizten Modelldampfturbinen alternativ mit den vergleichsweise einfach herstellbaren Blechschaufeln auszustatten.
Ich habe hierzu ein neues Thema eröffnet.

http://www.forum-marinearchiv.de/smf/index.php/topic,24043.0.html

Liebe Freunde der Modell-Dampfturbinen.

Nach längerer Zeit wieder ein Update zur Entwicklung der Gas beheizten Modell-Dampfturbine.
Im Anhang findet ihr neben einer Schnittzeichnung eine perspektivische Handskizze mit den augenscheinlichsten Änderungen.

Der aufwendige Röhren-Luftvorwärmer entfällt. Die Zusatzluft wird nunmehr durch den untersten Teil des äußeren Mantels geleitet, in der Kammer zwischen Rauchgas-Wendekammer und Turbinenflansch vorgewärmt und über Schlitze in den vier Luftkanäle des Außenmantels dem Innenraum zugeführt.
Vom Innenraum gelangt die Zusatzluft über entsprechende Öffnungen in die Flammenrohre.

Darüber hinaus wurde auch die Vorwärmung des Speisewassers geändert.
Bevor das Speisewasser den Sprühdüsen der Verdampfer zugeführt wird, durchströmt es zwei Mäander förmige Rohrschlangen in Abdampfräumen die beidseitig den weitaus größten Teil des Außenmantels einnehmen.
Diese Rohrschlangen dienen der Last unabhängigen Stabilisierung der Temperatur des Speisewassers.
Bekanntlich muss die Speisewasser-Temperatur deutlich unter der Siedetemperatur liegen,
um eine fehlerfreie Funktion der Sprühdüsen zu sichern. 
Die Temperatur des Wassers aus dem Vorwärmer im Rauchgas-Kanal schwankt aber mit der Rauchgas-Temperatur; die wiederum ist von der regelbaren Heizleistung abhängig.

Der Abdampf entspannt sich in der Turbine auf Umgebungsdruck (p₀ = 1 at_a ≈ 1 bar_a) und hat dabei immer eine Temperatur von
ca. 100  ^oC.
Ist die Temperatur des Speisewassers zu hoch, wird sie durch den Abdampf auf < 100 ^oC herunter gekühlt; ist sie zu niedrig wird sie entsprechend erhöht.

Liebe Modellbau-Freunde,
ich habe in einem anderen Forum ausführlich über den Stand der Entwicklung berichtet; diese Informationen möchte ich euch nicht vorenthalten.

Zum besseren Verständnis habe ich neben einer neuen Schnittzeichnung wieder eine Handskizze der perspektivischen Darstellung der Dampferzeugung angefertigt.

In der angehangenen Schnittzeichnung durchströmt der Dampf die Schaufeln quer zur Achsrichtung, also radial. Hierdurch ergibt sich bei unserer Anwendung für den Dampf der kürzeste und verlustärmste Strömungsweg.

Stumpfschaufel können zwar auch radial angeordnet werden, aber es zeigt sich, dass die Anzahl der auf einem bestimmten Durchmesser unter bringbaren Schaufeln deutlich geringer ist und der Wirkungsgrad sinkt.
Man könnte unter Inkaufnahme eines weniger günstigen Strömungsweges die Turbine so umkonstruieren, dass ,,Stumpf"-Schaufeln in Achsrichtung, also axial durchströmt werden.

Die Wahl der geeigneten Schaufelform hängt aber einzig und allein von den technologischen Gegebenheiten ab.
Laufräder mit Profilschaufel, wie wir sie von Reiners Beitrag
http://www.rc-modellbau-schiffe.de/wbb2/thread.php?threadid=17351 oder auch vom Großbetrieb kennen, haben zweifellos den besten Wirkungsgrad; sie sind aber schwierig in der Herstellung.
Wer aber über eine präzise CNC-Fräsvorrichtung verfügt oder die Fräsarbeiten als angebotene Dienstleistung vergeben möchte, sollte sich für diese Schaufelform entscheiden.
Wie solche Schaufeln berechnet werden und wie man sie konstruiert, findet ihr hier beschrieben.
http://www.forum-marinearchiv.de/smf/index.php/topic,16639.0.html

Wie die Zeichnungen zeigen, besteht der Dampferzeuger nahezu ausschließlich aus ineinander gefügten Blechrohren.
Ich habe hierfür handelsübliche, dünnwandige Edelstahlrohre aus dem Heizungsbau vorgesehen. Die Abschottungen sind ebenfalls aus Edelstahl-Blech; sie erhalten entweder entsprechende Bördelungen oder werden ggf. über gedrehte Flansche eingebunden.
Lediglich die Wärme übertragenden Baukomponenten sind aus Kupfer bzw. aus Messing.

Der Außenmantel wird mit Kork oder Nefalit isoliert; er umschließt einen Raum, der in vier Segmente geteilt ist.
Links und rechts je ein Abdampfsegment mit den beiden Temperatur-Stabilisatoren des Speisewassers, sowie oben und unten die Segmente zur Zuführung der Zusatzluft.
Die Zusatzluft kühlt teilweise den Außenmantel bevor sie in den Zwischenraum zwischen Rauchgas-Wendekammer und Turbinenflansch strömt. Hier wird sie weiter vorgewärmt, um über das geschlitzte Luftrohr in den Innenraum zu gelangen.

Der Abdampf hat ebenfalls eine Kühlfunktion; er nimmt dabei Wärme zu seiner Trocknung auf, bevor er über einen Dampfbläser dem Kamin zugeführt wird.

Im Innenraum befinden sich neben dem zentralen Luftrohr die vier Flammenrohre mit den Brennern und den Verdampfern.
Der Innenraum wird vom Luftmantelrohr umschlossen. Zwischen Luftmantel und Rauchgas-Mantelrohr liegen die beiden Segmente für den Abzug des Rauchgases; sie beinhalten die Speisewasser-Vorwärmer und führen zum Rauchgaskanal und letztendlich von hier zum Kamin.

Bevor das vorgewärmte Speisewasser den Sprühdüsen der Verdampfer zugeführt wird, durchströmt es zwei Mäander förmige Rohrschlangen in den Abdampfräumen, die beidseitig als Segmente einen Teil des Außenmantels bilden.
Diese Rohrschlangen dienen der Last unabhängigen Stabilisierung der Temperatur des Speisewassers.
Bekanntlich muss die Speisewasser-Temperatur knapp unter der Siedetemperatur liegen, um eine fehlerfreie Zerstäubung zu sichern. 
Die Temperatur des Wassers aus dem Vorwärmer im Rauchgas-Kanal schwankt aber mit der Rauchgas-Temperatur; die wiederum ist von der regelbaren Heizleistung abhängig.
Die, für eine effiziente Wärmeübertragung erforderliche Temperatur-Differenz der Fluide ist zwar gering; aber die hohen Wärmeübergangszahlen von kondensierendem Dampf einerseits und heißem Wasser andererseits, kommen uns hier sehr entgegen. Die Stabilisatoren fungieren als Wärmetauscher nach dem Gleichstrom-Prinzip.

Der Abdampf entspannt sich in der Turbine auf Umgebungsdruck (p ₀ = 1 at_a ≈ 1 bar_a)
und hat dabei immer eine Temperatur von ca. 100 ^oC.
Ist die Temperatur des Speisewassers zu hoch, wird sie durch den Abdampf auf < 100 ^oC herunter gekühlt; ist sie zu niedrig wird sie entsprechend erhöht.

Hallo Modellbau-Freunde,

einigermaßen fristgerecht konnte ich die Arbeiten am Haupt-Entwurf, sowie der damit verbundenen, kompletten Überrechnung der ,,Gas betriebenen Modell-Turbine" mit Profilschaufeln, innere Leistung  57 W, beenden und abliefern.
Meinen Anteil an der Team-Arbeit habe ist soweit erledigt; dem Bau eines Prototyps steht nichts mehr im Wege.

Sollten jemand ,,ernsthaft" Interesse zeigen, diesen einzigartigen Antrieb ebenfalls bauen zu wollen, so bitte ich um eine Email.
Alles Weitere wird sich dann finden. Meine volle Unterstützung ist aber gewiss.

Im Anhang einige Zeichnungen.

Hierzu eine kurze Leseprobe aus dem PDF-Dokument (1,62 MB)

Das Schaufelprofil konstruieren wir mit Hilfe einer Konstruktionshilfe (Bild 11).
http://www.forum-marinearchiv.de/smf/index.php/topic,16639.15.html
oder
,,Berechnung von Modelldampfturbinen",
von Georg W. Held.

Die Düsensegmente werden gemäß Zeichnung aus zwei entsprechend dicken Messingblechen hergestellt, übereinander gelegt und mit den Bohrungen für die beiden Verbindungs-schrauben, sowie für die drei Befestigungsschrauben versehen. In das jeweils untere Segment werden die Dampfkanäle gefräst und die beiden Bohrungen für die Dampfleitungen eingebracht.
Die Dampfleitungen können von hinten oder von der Seite (gestrichelt) zugeführt und verlötet werden. Die Verbindungsflächen der Segmente werden geschliffen und poliert.
Die Teile der Düsensegmente werden Dampf dicht verschraubt und mit einer Teflon-Zwischenlage durch die drei Befestigungsschrauben mit dem Düsenring des Flansches verbunden.
Die Breiten der Längs- und Querspalte sollten im betriebswarmen Zustand nicht mehr als 0,5 mm betragen.
Für das Flammenrohr wurde dünnwandiges Edelstahlrohr 28Ø x 1,5 mm und für den Verdampfer Cu-Rohr 15Ø x 1 mm gewählt. Für die Rippen ist Messing-Blech 1 mm dick vorgesehen. Werden die Abmessungen verändert muss die Heizfläche neu berechnet werden.

Mindest-Voraussetzungen für den Bau, sind eine Drehmaschine, eine Fräsmaschine und ein Rundtisch.
Also, auf geht's.

Entwicklungsstand: 10/2016

Liebe Modellbau-Freunde,
die Dokumentation des letzten Entwicklungsstandes mit kompletter Neu-Überrechnung,
steht wiederum als PDF-Dokument (2,6 MB) zur Verfügung.
Bei Interesse bitte Email.

Hallo Georg

Wir unterhielten uns ja neben der 1:50 Bismarck von Peter in Gelsenkirchen.
Peter hat Angst . Er fährt lieber mit Akku  :MLL:  Schöne Grüsse aus dem Nachbarforum  :MG:

Beste Grüsse
Chris

Hallo Chris,
danke für die netten Grüße.
Ich habe überlegt, ob ich nicht am 22. 10. zum Forentreffen nach Herne kommen sollte.
Vielleicht finde ich einen Modellbauer, der das Modell einer modernen Fregatte mit einer oder zwei solcher "Gas"-Turbinen bauen möchte

Hallo Georg

Natürlich bist du herzlichst Willkommen bei dem Stammtisch !!
Leider kenne ich momentan keinen der Teilnehmer der eine Fregatte baut.
In einem anderen Forum schon. :MG:

Beste Grüsse
Chris