Überlegungen zu einer direkt beheizten Modell-Dampfturbine mit Stumpf-Schaufeln

[iron dog]

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.

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 

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  ).
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...
*(für Combined gas and steam)

[Turbo-Georg]

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.

[iron dog]

Hallo Georg

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

@Günther
Sicher können diese Nebenfragen beantwortet werden, das gibt die Möglichkeit neue interessante Themen zu eröffnen 
Deshalb geht geht es hier weiter mit dem Thema COGAS-Antrieb in einem Modellschiff.

Gruss, Doggie

[Turbo-Georg]

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.

[Turbo-Georg]

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.

[Turbo-Georg]

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.

[Turbo-Georg]

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.

[Turbo-Georg]

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.

[RonnyM]

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

Grüße Ronny

[Turbo-Georg]

Hallo Ronny,
Propan oder Propan- Butan-Gemisch.

[Turbo-Georg]

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.

[Turbo-Georg]

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.

[Turbo-Georg]

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.

[Turbo-Georg]

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.
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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.

[Turbo-Georg]

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.