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Modell-Durchlaufkessels mit Gleitdruckregelung

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Turbo-Georg:
Die angehangenen Bilder zeigen den Aufbau des Prototyps eines Modell-Durchlaufkessels mit Gleitdruckregelung. Dieser Kessel dient dem Betrieb von Modelldampfturbinen.

Die Leistung einer Dampfturbine wird bekanntlich von der Dampfmenge, sowie dem Zustand des Dampfes, also seinem Wärme- bzw. Energieinhalt bestimmt.

Hier erfolgt die Leistungsregelung nicht an der Turbine, z.B. durch verlustreiche Dampfdrosselung, sondern bereits am Kessel im so genannten Gleitdruckverfahren durch Veränderung des Massenstroms.
Der Kessel ist in erster Linie ein Heißluft-Erzeuger. Der Heißluftstrom übernimmt den Transport der Wärmeenergie zum Verdampfer; hier erfolgt die Wärmeübertragung auf die jeweilige Menge an zugeführtem Speisewasser (Dampfmenge); Zuführung durch eine geregelte Pumpe. 
Durch die Regelung von Gas- und Luftmenge wird der Wärmeinhalt des Dampfes beeinflusst.

Die Vorwärmung des Speisewassers erfolgt im Abgasstrom durch einen entsprechenden Wärmetauscher im Fuchs des Schornsteins und die Vorwärmung der Gebläseluft im Mantel des doppelwandigen Kessels durch Kühlung der Außenhaut. Die Temperatur am Außenmantel beträgt somit max. 40° C; eine Wärmeisolierung ist demnach entbehrlich.
 
Das Video zeigt den Testlauf des Prototyps
Der Dampfverbrauch der Turbine wird durch ein Rohr mit einem Querschnitt von 2 mm² simuliert. Durch Mess-Sonden werden die Dampftemperatur vor dieser „Düse“ sowie die Abgastemperatur im Schornstein überwacht.

Turbo-Georg:
Für den Einbau in ein mittleres Schiffsmodell mit Dampfturbinen-Antrieb, schwebte uns statt eines schweren Wasserraumkessels, ein einfach herzustellender, kleiner, vergleichsweise leichter Durchlaufkessel mit Gleitdruckregelung vor.
Gleitdruckregelung bedeutet, dass wir für die verschiedenen Fahrstufen nicht den im Kessel konstant erzeugten Dampf regeln, sondern wir regeln unmittelbar die Massenströme des Kessels (Speisewasser, Gas, Luft usw.) und stellen damit der Turbine für die einzelnen Fahrstufen Dampf mit den erforderlichen Werten (Druck, Temperatur) zur Verfügung.
 
Das Prinzip der Gleitdruckregelung kennen wir vom Kraftwerk-Kesselbau oder vom Benson-Schiffskessel.
Bereits 1944 wurden an den Kesseln von Zerstörern der DKM hierzu Versuche unternommen. Grundlage bildeten die Überlegungen von Klnt. (Ing.) Dipl.-Ing. Illies aus dem Jahre 1942 im Rahmen des Entwurfs einer Antriebsanlage für die neuen Zerstörer.
Sie beruhen darauf, den Konstant-Druck in Dampfkesseln durch Gleitdruck zu ersetzen und  die Regelung bei Fahrstufenänderungen vom Manövrierventil der Turbine auf die Brennstoffzufuhr am Kessel zu verlagern. 
 
Traditionell wurde die Leistung durch die Dampfmenge geregelt, und zwar durch Abschaltung von Düsengruppen der Hd-Stufen. Nur die Feinregulierung wurde durch die verlustreiche Drosselung vorgenommen. Um die Dampfturbinen in den verschiedenen Laststufen mit einem möglichst günstigen Wirkungsgrad (Brennstoffverbrauch!) zu betreiben, erfolgte die Abschaltung einzelner Turbinenstufen bzw. wurde auf einen weiteren Turbinensatz umgeschaltet (Haupt- und Marschturbinen).

Bei Modell-Antriebsanlagen mit Dampfturbinen wird sich dieses Prinzip allerdings nur in Durchlaufkesseln bei gleichzeitiger Regelung des Massenstroms realisieren lassen. Die Änderung des Massenstroms, sprich der Dampfmenge, bewirkt eine Änderung des Ausgangsdrucks und ggf. der Überhitzungstemperatur des Dampfes und somit eine Änderung des jeweilig verfügbaren Wärmegefälles.
Allerdings benötigen wir im Modellbau keine kontinuierliche Regelung. Wir orientieren uns am Prinzip des Maschinentelegrafen mit seinen verschiedenen Fahrstufen.
Für die einzelnen Fahrstufen werden bestimmte Schraubendrehzahlen festgelegt. Die hierzu erforderlichen Betriebsdampfwerte mit den entsprechenden Regelparametern werden durch Versuche ermittelt und stufenweise durch einen Mikrocontroller (Arduino) eingestellt. 

Turbo-Georg:
Hallo liebe Modellbaufreunde,

Konrad (Konni) hat aus dem Urlaub viele neue Ideen zum Durchlaufkessel mitgebracht und zum Teil bereits in die Tat umgesetzt.
Es geht dabei nach wie vor um die Suche nach der effizientesten Verdampferform.

Nach der bekannten runden Bauweise mit Bündeln aus gewickeltem Rohr hat Konrad nun einen eckigen Verdampfer konstruiert. Seine Herstellung aus einer „Unmenge“ von Rohrstücken ist zwar höchst aufwendig, erlaubt aber eine bessere Ausrichtung der Rohrreihen.
Auf den Verdampferbildern ist deutlich der Versatz der einzelnen Rohrreihen zu einander erkennbar. Dadurch wird ein besserer Wärmeübergang erzielt, denn die einzelnen Rohrreihen werden besser von der Heißluft umströmt.
Wie bei der runden Bauform wird der Kessel wiederum mit einem Doppelmantel versehen, in dem die vom Gebläse kommende Luft vorgewärmt wird und gleichzeitig den Kesselaußenmantel kühlt.
Die Bilder zeigen die Bauteile des hinteren, inneren Kesselmantels mit dem Verdampfer, den Rahmen der Luftleitbleche sowie den Heißluft-Diffusor, die beiden letztgenannten Bauteile  sorgen für eine gleichmäßige Durchmischung des Luftstroms.
Im anschließenden Schornsteinfuchs wird wieder der vor geschaltete Speisewasservorwärmer untergebracht.
Der runde Brennerteil entspricht im Wesentlichen der bekannten Bauform und wird über die Kalotte mit den Bauteilen des hinteren Kessels verbunden.

Bis zu den ersten Tests wird noch etwas Zeit vergehen, aber das Gezeigte ist recht vielversprechend. Die mit größter Sorgfalt ausgeführten Arbeiten zeugen von höchster Handwerkskunst, besonders die Präzision der Blecharbeiten begeistert mich immer wieder neu.

Baunummer 509:
Ihr seid ganz schön verrückte Typen!
Ich mag das, sehr sympathisch  :-)

Beeindruckend was Ihr hier auf die Beine stellt.

Gruß Sebastian

torpedo mixer:
Ein "Ihr seid ja total verrückt" (sehr positiv gemeint) auch von mir.

Als MaschBau Ing. habe ich einen Höllenrespekt vor dem Thema....

Ein klitzekleine Frage:

Ihr werdet den Danpf ja im Gegenstrom zum Heißgas fahren mit Dampfaustritts-Temp. auf Heißgasniveau?  Ist das ein "Strang" oder wird der Dampfstrom parallel gefahren? Ist das die richtige Art das verdampfende Wasser/Dampf Gemisch zu fördern oder ("nur") die Variante mit bester "Aufwand/Leistung" Balance? Dampfdom, frühe Trennung Wasser/Dampf mit Nacherhitzung wäre ja etwas anderes?

Gruß - Wastl

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