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

[Turbo-Georg]

Als Beispiel einer sehr guten Lösung.

Heizpatrone 230V 250 W,

Preis: 20,50 €

[Turbo-Georg]

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.

[Turbo-Georg]

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.

[Turbo-Georg]

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.

[Turbo-Georg]

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.

[Turbo-Georg]

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.

[Turbo-Georg]

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.

[Turbo-Georg]

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.

[Turbo-Georg]

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.

[Turbo-Georg]

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.

[Turbo-Georg]

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.

[Turbo-Georg]

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.

[Turbo-Georg]

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.

[Turbo-Georg]

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

[Elektroheizer]

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

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    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