Dampfkessel eliminieren /Stirling-Dampfmaschinenhybrid

[Flip]

Ich würde gerne eine Kolbendampfmaschine mit etwas real nutzbarer Leistung bauen. Mindestens 50W an der Achse, und gut Drehmoment. Feuerung soll mit Scheitholz erfolgen.
Jedoch habe ich etwas schiss vor zerknallenden und trockenlaufenden Kesseln, weshalb ich diesen Part gerne eliminieren würde.
Anfang des Jahres ist mir in den Sinn gekommen, dass man so etwas wie eine Direkteinpritzer-Kolbenmaschine bauen könnte. Also die Steuerstange betätigt eine Speisepumpe, die einen spritzer Wasser über ne Düse in einen glühend heißen Thermoblock spritzt. Der Dampf geht dann ggf noch über ein Einlassventil in den Zylinder und verrichtet da seine Arbeit, auslass über gewöhnliches Auslassventil. Der Verdampfer sollte sinnigerweise einen guten Querschnitt, große Oberfläche und geringes Innenvolumen haben. Der minimale Inhalt des Verdampfers macht mir dann keine Sicherheitsbedenken mehr.
Das einzige, was ich dazu finden konnte: https://patentimages.storage.googleapis ... 7210B4.pdf

Der Kondensator-Part ist interessant, da ein geschlossener Kreislauf entsteht, aber ich unterstelle mal, dass mir das hier wenig bringt.

Gibt es da historische Maschinen, die so arbeiten? Sollte ich besser direkt auf Stirling oder so etwas wie Vakkummotor setzen? Die Maschine wird inhärent langsamlaufend, der Druckaufbau-verdampfungsprozess wird ja ein wenig Zeit in anspruch nehmen. Das könnte ich mit einem Einlassventil optimieren, dann kann immer zum ende des Einlasszyklus bereits wieder Wasser für den nächsten Einlasszyklus eingespritzt werden und in ruhe verdampfen. Ansammlung von heißem Wasser (Sicherheit) lässt sich verhindern, indem der Abgang im verdampfer an der tiefsten Stelle liegt. Ziel ist in erster Linie kurzzeitige bereitstellung von mechanischer Energie für ein paar wenige Tage pro Jahr im Nirgendwo, aber Brennholz gibt es zur Genüge.
Investition möglichst gering, so bis 100€, sollte also aus Schrottteilen machbar sein. Konkret denke ich an einen Pocketbikemotor als Wirkzylinder oder einen alten Pneumatikzylinder.
Wie die oberfläche des Verdampfers erhöhen? Ich würde da Sicherheitshalber schon dicke Eisenrohre sehen, der Durchlassquerschnitt an der beheizten Seite sollte aber auch ordentlich sein. Eventuell ein großer Block, vertikal und horizontal durchlöchert.
Alles sollte auch nicht zu riesig und schwer werden. Wie verhindere ich abperlen des Wassers, Leidenfrosteffekt? Mit Stahlwolle ausstopfen? Wie verteile ich das Einspritzwasser und dessen Kühllast, damit nicht alle Verdampferleistung an der Einspritzstelle benötigt wird? Man könnte auch einen Zylinder direkt beheizen und direkt einspritzen, das wäre simpel und reduziert den Totraum des Verdampfers, aber ob die Kolbenringe und deren schmierung das mögen?

[Alexander470815]

Problem bei der Sache ist dass der Kessel dann lokal stark überhitzen kann wenn er nicht mit Wasser voll steht.
Das verringert die Festigkeit enorm und kann damit auch zum versagen führen.

[Nello]

Was denn für ein Kessel? Es gibt doch gar keinen, das ist hier ja gerade der Witz.
Das klingt alles schon mal spannend. Die Ventile bringt Dein Motor mit, nehme ich an. Sonst wäre das unnötig kompliziert, auch mit einer klassischen Schiebersteuerung kann man optimierte Steuerzeiten realisieren.
Fang mit dem Verdampfer an, experimentiere. Ruhig erst in kleinerem Maßstab. Ich glaube, da warten Überraschungen.

Hab gerade nochmal den Eingangspost gelesen, da fiel mir noch was auf:
"Man könnte auch einen Zylinder direkt beheizen und direkt einspritzen, das wäre simpel und reduziert den Totraum des Verdampfers, ..."
Das erinnert mich fatal an einen grundlegenden Konstruktionsfehler der ersten Dampfmaschinen nach dem Newcomen-Prinzip - aber der wusste es ja noch nicht besser. Auch der hat Frischwasser in den Arbeitsraum eingespritzt, wenn auch nicht zur Verdampfung, sondern zur Kondensation; die Maschine arbeitete nicht mit Überdruck, sondern mit dem nach der Kondensation entstehenden Teilvakuum. Die tiefe Abkühlung des Zylinders und der umgebenden Teile war der Hauptgrund für den katastrophal schlechten Wirkungsgrad dieser Maschinen. Die bahnbrechende Erfindung von James Watt bestand hauptsächlich in zwei Ideen, nämlich die Kondensation nach außen zu verlegen (und so die tiefe Abkühlung Zylinders zu verhindern) und auch den Druck des einströmenden Dampfes zur Arbeit zu nutzen. Die späteren Erfinder haben das dann perfektioniert, indem sie versuchten, möglichst die komplette Energie von hochgespanntem Dampf bei der Entspannung bis fast zum Athmosphärendruck zu nutzen, was zu zwei bis drei nacheinander geschalteten Zylindern führte, weil sich das in einem einzigen Arbeitsraum gar nicht darstellen ließ.

Ähm. Entschuldigung. Es ist mit mir durchgegangen. Bestimmt weißt Du das alles schon. Fazit jedenfalls: Kaltes Wasser im Zylinder, egal zu welchem Zeitpunkt, ist wahrscheinlich eine falsche Idee. Den Verdampfer könnte ich mir als massiven Eisenblock vorstellen, der viel Energie thermisch speichern kann. Darin eine Bohrung, in die eingepritzt wird, und eine kräftige Heizung, die möglichst viel Fläche wärmt, Die Abwärme könnte durch geschickte Anordnung der Elemente und gute Abgasführung noch genutzt werden, um auch den Arbeitszylinder noch zu wärmen. Die Einspritzpumpe braucht nur die Göße einer Injektionsspritze zu haben - die Volumenänderung von Wasser zu Dampf ist, nun ja: gewaltig.

[ferdimh]

Das Prinzip mit dem "Schnelldampferzeuger" gabs irgendwo schonmal...
Als Einspritzpumpe könnte eine Espressomaschinenpumpe dienen.

Beim Herrn Leidenfrost würde ich mir weniger Gedanken machen. Unter dem hohen Druck steigt ja der Siedepunkt. Daher wird auch die Temperatur, bei der Leidenfrosteffekt einsetzt, deutlich steigen.

Ansonsten sehe ich das Problem, dass das Verdichtungsverhältnis eines Kleinknatterbrömms für unbefriedienden Wirkungsgrad sorgen dürfte.

[Flip]

Eisenblock dachte ich auch, bin mittlerweile aber eher bei einem kurzen rohrmäander, so 10er innen und 1,5m lang. Da bekomme ich ohne höllenfeuer besser die wärme rein. Die einspritzpumpe sollte kurbel /nockengesteuert sein, also eine kleine kolbenpumpe bietet sich da an, da findet sich was. Das verglühen des Verdampfers ist so eine sache, bei stirlingmaschinen bekommt man das ja aber auch gehandelt.

Die Ventile die der Motor mitbringt, nunja, zumindest das einlassventil wäre falschrum. Also wohl dann doch extern einen schieber dran. Dann vielleicht gleich nur noch kolben und kurbelwelle nutzen, die kühlrippen am zylinder sind ohnehin kontraproduktiv

Wenn ich alles einen schritt weiter denke, spritze ich brennstoff in den Brennraum und zünde ihn, ottoprinzip ihr wisst schon. Da ich keine Dinos verbrennen will bleibt raps und Holzgas. Mit Holzgas wollte ich ohnehin mal spielen, bei den genannten betriebszeiten wird das auch mit dem Teer sich in grenzen halten. Nur den Nostalgischen Dampf Langsamläufer-Vibe verliere ich dann.

Vielleicht teste ich mal mit dem 2-Takter Pocketbikemotor die simpelstversion, Verdampfer ans Zündkerzengewinde, auslass über bestehende zylindersteuerung. Im kompressionshub wird der Verdampfer vorkomprimiert, dann einspritzung, expansion. Also fast wie verbrennungsmaschine.

[Lötfahne]

Es gab diverse Kesselkonstruktionen um schnell auf Druck zu kommen, besonders bei Dampftriebwagen. Das waren meist senkrecht stehende Kessel, mit Röhrenschlangen bzw. -spiralen.
Suchbegriffe hierfür wären Doble, Serpollet, Sentinel.

[Flip]

Danke, mit dem Hinweis wäre ich wieder bei einem Kreislaufsystem, da ich die gefahr von Kesselsteinbildung nicht auf dem Schirm hatte. ein Kreislaufsystem hilft da enorm.

[Nello]

Das hier finde ich sehr interessant:
https://de.wikipedia.org/wiki/Fallfilmverdampfer

Die Kugeln sind zur Oberflächen-Vergrößerung. Das konzentrisch zugeführte, oben austretende Wasser klebt durch Adhäsion als nach unten ablaufender Film an der innen beheizten Säule. Das kann man sich auch als Kamin-Aufsatz auf einem Holzofen vorstellen. Außen rum ein Rohr, oben und unten schließen, Zapfleitung dran, fertig. P max wäre bei kontinuierlichem Betrieb knapp unter dem Frischwasserdruck, um Rücklauf zu vermeiden; bei intermittierendem Betrieb mit Sperrschieber geht natürlich mehr. Explosion möglich, aber weitgehend unkritisch, weil kein überhitztes Wasserreservoir zum Kesselzerknall führt. Außerdem: Das muss man erstmal schaffen, so schnell knallt's nun auch wieder nicht.

[Marsupilami72]

Wie wär´s mit was ganz Anderem? Teslaturbine z.B.

[Flip]

Turbine bietet den vorteil, dass die Verdampfung kontinuierlich sein darf. Was ich aber schade finde, ist, dass ich im angestrebten massstab hohe drehzahlen fahren muss, bedeutet bei meiner fertigungspräzision lautes heulen und viel verluste um untersetzergetriebe. Und ich hab keinen Totpunkt, das macht mir noch etwas zu schaffen, damit es langsam laufen kann, brauche ich mindestens doppelt wirkenden zylinder, besser 2 stück. Denn eine einzige verpasste einspritzung führt zum stillstand.

[Bastel-Onkel]

50W an der Achse ist schon mal eine Ansage. Speziell der Vakummotor ("Flammenfresser") dürfte da mit seinem sehr dürftigen Wirkungsgrad schon raus sein (der bräuchte wohl dafür eine 5kW-Flamme und brächte vermutlich eine halbe Tonne auf die Waage. wenn es denn reicht...).

Für alles, was mit Dampf laufen soll, ist Kesselspeisewasser, was keine Ablagerungen bildet, sehr zu empfehlen. Die Idee, eine definierte Wassermenge gezielt zu verdampfen, klingt erst mal nicht schlecht. Theoretisch könnte die Maschine ja selber die Speisepumpe antreiben, was dann definierte Steuerzeiten erleichtert. Wenn du aber eh einen elektrischen Generator antreiben willst, kann es auch eine elektrische Pumpe sein. Ob Kreislauf oder nicht, das hängt wesentlich davon ab, ob du die Wärme sinnvoll weggekühlt bekommst. Und die Frage ist, ob der glühen heiße Verdampfer es längerfristig durchhält, mit kalten Wasser beschossen zu werden. Ist dann letztlich ein "Dampf-Glühkopfmotor"
Ich könnte mir z.B. folgenden Zyklus vorstellen:
-Speisepumpe drückt Wasser in den heißen Verdampfer (der möglichst nah am Zylinder sitzen sollte)
-Dampf entsteht, Druck steigt, Kolben bewegt sich vorwärts (oder aufwärts, ehrlich gesagt wäre ich da bei stehendem Aufbau, da hilft die Gravitation nach dem OT)
-Druck entweicht durch das Auslassventil, Kolben kann wieder zurück

Vermutlich wird die Bewegung eher gemütlich sein, da sich der Druck ja "aufbauen" muß. Und ein Effizienzwunder wird das, da einfachwirkend und Abdampf verschwendend, auch nicht sein. Aber vielleicht ist es als erster Schritt die "erreichbare" Lösung. Auf 50W würde ich die trotzdem erst mal nicht auslegen, sondern auf "läuft aus eigener Kraft".

[Gary]

Ich muss gerade an Weihnachten denken

Mit Heißluft angetriebenes Karussell, statt der Kerzen Lagerfeuer, läuft langsam und mit dem Durchmesser kommt das Drehmoment.

[Julez]

Also ich würde da eher auf einen Stirling-Motor setzen, allein weil es da schon genügend verrückte Bastler mit Erfahrung gibt:

https://www.youtube.com/watch?v=CUE0u06Daaw
https://www.youtube.com/watch?v=kDZMqSz2BiI
https://www.youtube.com/watch?v=NbZji_my4Kw
https://www.youtube.com/watch?v=j7Ja05DKZsk
https://www.youtube.com/watch?v=Ge3cerSVEI0

[Flip]

Das karusell

Die segel wären sicher nicht zu verachten, und keine sorge, wir bekommen das feuer groß genug.
Wegkühlen von restwärme ist wohl kein Problem, im regelfall wird auch eine Brunnenpumpe damit angetrieben. Wie die ausschaut ist mir noch nicht so ganz klar. Falls es eine schwengelpumpe wäre, würde ich vielleicht direkt aufs gestänge gehen könen, ganz ohne kurbel. Rückstellkraft und einspritzung kommt dann durch die schwerkraft zustande. So etwa wie diese diesel-rammen fallhämmer. Oder ein kleines Steueraggregat, was gerade auf am laufen bleiben ausgelegt ist, und lediglich die einspritzung für den hauptzylinder erledigt. Wenn der nicht den vollen hub macht, ist das bei der anwendung an der kolbenpumpe ja egal.

Stirling leuchtet mir immer mehr ein, ist ja aber ein alter hut und am ende kann man ja vorrausberechnen dass es funktioniert. Gerade wenn ich so eine doppelkurbel-scherensteuerung sehe, graust es mich etwas vor der fertigung all der teile. Toll ist es schon, das stimmt. Mit etwas überdruck im arbeitsmedium geht da auch gut was an leistung. Ehrlich gesagt interessiere ich mich dann aber eher für holzvergaser-verbrenner, wenn auch die lauter sind.

[radixdelta]

Man könnte an einem Seitenventil-Briggs statt dem Zylinderkopf einen Flansch mit Rohr anbauen, das Rohr dann ins Feuer. Im richtigen Moment etwas Wasser einspritzen. Die Nockenwelle so umgestalten dass immer im UT beide Ventile auf machen und im OT wieder zu. Beides Auslass, muss ja weg der Dampf.

Der Knackpunkt dürfte das einigermaßen genaue eindosieren des Wassers sein. Vielleicht geht das was mit Resonanz? Es gibt doch diese Knatterboote...

[Alexander470815]

Wenn damit Wasser gepumpt werden soll warum keine Dampfstrahlpumpe?
Das hat dann gar keine beweglichen Teile und ist ein kontinuierlicher Verbraucher.

Turbine mit Generator wäre ja auch kein Problem, einfach einen Generator nehmen der direkt mit Turbinendrehzahl arbeitet, dann ist das mit dem Getriebe hinfällig.

[duese]

Wenn die Pulssationsverdampfung beibehalten soll, ginge vielleicht auch ein Vakuummotor ohne Kolben. Der Zylinder ist über Rückschlagventil mit dem Brunnenrohr verbunden. Dampf in den Zylinder, Dampf kondensiert, Vakuum, Wasser wird eingesogen. Dann Ablass- und Belüftungsventil auf, Wasser ablassen, Umgebungsdruck herstellen, Ventile zu und von vorn. Die Steuerung muss dann natürlich von außen kommen und aufwändiger als ein Dampfstrahler ist es auch.

Die Idee mit der Dampfstrahlpumpe gefällt mir persönlich sehr gut. Die kann dann ja auch gleich Kesselwasser nachspeisen. Geht das evtl. sogar mit intrinsischer Wasserstandsregelung im Kessel? So nach dem Motto: Wasserstand sinkt, Verdampfungsgeschwindigkeit steigt, Pumpenleistung steigt, Gleichgewicht stellt sich ein?

Oder was sagt ein Dampfstahler dazu, wenn mit dem Dampf Wasser mitkommt? Geht die Pumpleistung rauf oder runter? Oder schepperts?

[Flip]

Was Dampfstrahliges werde ich wohl auch bauen. Was ich da noch nicht ganz raffe: wie muss die geometrie sein, damit man über den Kesseldruck kommt. Ich glaube da müssen die düsen echt präzise gefertigt sein.
Zum pumpen aus dem Brunnen stellt sich eine ähnliche frage: angenommen ich brauche 4m Ansaughöhe und 1m zum ausstoßen, wie dimensioniere ich die Düsen?

https://www.youtube.com/watch?v=AWoJCzTqU0Y
Das schaut mir schon nach 3-5W an der welle aus, das werde ich mal hochskalieren.

[BernhardS]

Auf keinen Fall das Heil in dickwandiger Bauweise suchen. Das bringt ja erst das Gefahrenpotential beim Zerknall. Dünnwandig gibt ggf. einfach ein Leck.

[duese]

Kalter Kessel ist super. Da geht die automatische Nachspeisung auch super einfach. Kessel mit genug Wasser für einen sicheren Hochlauf des Systems. Dann das Druckpolster aufblasen. Damit kann der Prozess gestartet werden. Der Dampfstrahler fördert einfach direkt in den Vorratskessel. Direkt am Einlauf ein Überströmventil, dass auf den gewünschten Speisewasserdruck eingestellt ist. Wenn nach dem Anfahren der Druck erstmal abgesunken ist, wird nachgespeist. Wenn voll geht das Überströmventil auf und alles was da rauskommt ist Nutzwasser. Damit müsste der Wasserstand im Kessel konstant bleiben, da das Luftpolster ja nicht rausgeht.

Wenn am Abgang des Überströmventils einen Schlauch anschließt, kann man sogar Wasser unter Druck abnehmen. Allerdings sollte dann wohl besser noch ein zweites Überdruckventil parallel dazu, dass etwas niedriger als das erste eingestellt ist.

[BernhardS]

wie muss die geometrie sein, damit man über den Kesseldruck kommt.

Das geht mit Schwung. Das Wasser wird auf Geschwindigkeit gebracht; die liefert die Kraft den Druck zu überwinden.

[MatthiasK]

Wenn es nur um Wasser pumpen geht, könnte man auch versuchen, ein Pulsometer zu bauen.

[nero]

Also ich würde da eher auf einen Stirling-Motor setzen, allein weil es da schon genügend verrückte Bastler mit Erfahrung gibt:

https://www.youtube.com/watch?v=CUE0u06Daaw
https://www.youtube.com/watch?v=kDZMqSz2BiI
https://www.youtube.com/watch?v=NbZji_my4Kw
https://www.youtube.com/watch?v=j7Ja05DKZsk
https://www.youtube.com/watch?v=Ge3cerSVEI0

Eine der brauchbarsten Stirling Seiten ist auch im Zombiezustand immer noch
http://www.oocities.org/viebachstirling/

[Flip]

Ich glaube mittlerweile, ich werde für verschiedene Anwendungen so gut wie alle varianten Bauen:

Eine gemächliche kolbenmaschine, weil das zeug sowieso da ist. Steuerventil, einspritzpumpe und schönen Zylinder habe ich gefunden. Eine Kurbelwelle muss ich irgendwie zusammenzimmern, und die Steuerung braucht eine art kurvensteuerung.

Eine Dampfturbine, die Kontinuierliche kraftabgabe ist einfach überzeugend. Habe 2 beispiele gesehen, im Letzteren ist die beschleunigte masse und beschleunigung mit der eine Bohrmaschine vergleichbar, da sind sicherlich 50W an der achse. Scheinbar ist der Dampfnachschub aber zu schwach. Stichwort scheint lfash steam boiler zu sein, auch wenn das gelegentlich eher weit gefasst wird.

https://www.youtube.com/watch?v=AWoJCzTqU0Y
https://www.youtube.com/watch?v=7YvmXgEUUBY

Eine Injectorversion irgendwie auch, falls ich den durchsatz entsprechend hinbekomme wird das zum wasserfördern das optimum sein. Falls es nicht gleich klappt, kommt hier die direkt- linearkolben vakuumpumpe zum tragen.

Zu den Anwendungen: die sind recht verschieden: Brunnen pumpen (ca. 1-2m³ je stunde, 3-4m höhe) (lärm egal) Umwälzpumpe (lärm nicht egal) , Schokobrunnen drehen (über generator), generatorbetrieb allgemein.