Kerzenturbine

Technik Mechanik & Konstruktion
#1

Hallo zusammen,

in letzter Zeit sehe ich immer öfter Modelle von Stirlingmotoren. Etwa hier:

http://www.stirling-engines.net/stirling-motor.htm

Das schöne daran: Jede beliebige Wärmequelle tuts.
Was weniger schön ist: Das arbeitende Gasvolumen ist geschlossen. Ihm wird also von Außen per Wärmetauscher die Energie zugeführt. Im Gegensatz dazu besteht beim Verbrennungsmotor das arbeitende Gasvolumen aus den Verbrennungsgasen selbst. Um nun beide Vorteile zu kombinieren möchte ich zunächst in einem Gedankenexperiment folgende Möglichkeit diskutieren. Eine Kerzenflamme soll eine Wärmekraftmaschine betreiben. Da hier eine kontinuierliche Wärmequelle vorliegt kommen Kolbenmotoren nicht in Frage.

Lässt sich mit einfachsten Bastelmöglichkeiten um eine Kerzenflamme eine Turbine erstellen?

Die Kerze steht ja senkrecht in der Mitte. Die Achse der Turbine wäre also genauso senkrecht. Da die Kerze erstmal nicht selbst rotiert, wäre bei dieser Turbine wohl der Stator innen und der Rotor außen.

Jetzt habe ich zu wenig Ahnung von der Dimensionierung von Turbinen um abschätzen zu können, ob sich so eine Konstruktion überhaupt zum Bewegen bringen lässt, ohne den Aufwand über die Möglichkeiten einer durchschnittlichen Bastelwerkstatt ausufern zu lassen.

Daher stellen sich mir eine Menge Fragen wie. Kommt man mit Blechbiegelösungen hier weiter? Wie groß sollen die Schaufelkränze sein und wieviele braucht man? Welche Leistung liefert eine Kerze? Wie exakt muss man hier fertigen? Wie lagert man den Rotor? Genügt ein Spitzer Nagel oben? Wie verhindert man in diesem Fall, dass die Rotorkonstruktion unten zu sehr pendelt? Welche Fragen habe ich vergessen?

Schon mal vielen Dank fürs Mitdiskutieren, Mitdenken, Mitmachen.

Viele Grüße
Stefan

#2

Hallo zusammen,

auch hallo,

Welche Leistung liefert eine Kerze?

Ein Teelicht in der Größe auf dem Bild im Link hat 37 Watt. Die heute oft angebotenen flacheren Teelichte haben (bei gleicher Brenndauer) einen dünneren Docht und deshalb nur ca. 25 Watt.

Schon mal vielen Dank fürs Mitdiskutieren, Mitdenken,
Mitmachen.

gerne doch

Viele Grüße
Stefan

Gruß
Pat

#3

>>>>

Ein Stirlingmotor ist aber doch ein Kolbenmotor. Hat sogar mehr Kolben,
als ein Verbrennungsmotor.

>>>>>

Siehe thüringische Holzarbeiten. Oder Stricknadel mit Korken stehend und
Papierschlange drehend.

Irgendwie verstehe ich nicht, was Du willst. Das sind doch Bastelarbeiten
aus dem 1.Semester Kindergarten.

mfgConrad

#4

Wenn Du aber wirklich eine „Turbine“ meinst, benötigst Du dazu zu Gasdrücke. Dampf z.B.
Dafür müßtest du dann mit der Kerze Wasser bis auf Heißdampf und höher erhitzen und
Dieser Dampf treibt dann eine Turbine.

#5

Hallo Conrad,

Wenn Du aber wirklich eine „Turbine“ meinst, benötigst Du dazu
zu Gasdrücke. Dampf z.B.
Dafür müßtest du dann mit der Kerze Wasser bis auf Heißdampf
und höher erhitzen und
Dieser Dampf treibt dann eine Turbine.

ja, ich meine tatsächlich eine Turbine. Eine Gasturbine arbeitet auch nicht mit Dampf. (http://de.wikipedia.org/wiki/Gasturbine)

Wie siehts da aus?

Viele Grüße
Stefan

#6

Hallo zusammen,

Auch hallo

Leider muss ich dich enttäuschen.
Zum einen braucht man keine Gasturbine weil man eine kontinuierliche Wärmezufuhr hat.
Eine Gasturbine lässt sich nicht mit einfachen Mitteln bauen.
Es sei denn, Du bist mit einem ganz einfachem Prinzip zufrieden, also wo man sieht das sich etwas dreht z.B.
Die ganz klassische Dampfmaschine besteht da aus einem Ballon(runder Kessel) aus Kupfer mit 2 Düsen für den Dampfaustritt außen.
Der Ballon fängt unter Wärmezufuhr an, sich schnell zu drehen.

Eine periodische Dampfmaschine mit einem Kolben sollte aber auch gehen. Nur, auch hier braucht man schon eine Drehmaschine oder wenigstens eine Handbohrmaschine mit sowas wie Reibahlen usw…

Es gibt insgesamt total viele Methoden der Gasdruck-Bewegungsumsetzung, aber die Geräte einfach herzustellen, ist es nicht. Die Verwendung von Nägeln bei Wärmekraftmaschinen ist eigentlich auch sehr eingeschränkt.

Es gibt zum Beispiel den Drehkolbenverdichter. Den könnte man auch als Motor verwenden. Aber der ist insgesamt mit am schwierigsten herzustellen.
Gasturbinen gibt es in total vielen verschiedenen Bauformen.
Mit Ausnahme von bestimmten Spielzeugobjekten haben sie alle eins gegenüber periodisch arbeitenden Systemen gemeinsam:
Sie sind erst wirtschaftlich ab einer größeren Leistung bzw. größeren Bauart.

#7

Hallo Stefan,

ja, ich meine tatsächlich eine Turbine. Eine Gasturbine
arbeitet auch nicht mit Dampf.
(http://de.wikipedia.org/wiki/Gasturbine)

Wie siehts da aus?

Und was willst du da mit deinem Kerzchen ???

MfG Peter(TOO)

#8

Hallo Conrad,

Wenn Du aber wirklich eine „Turbine“ meinst, benötigst Du dazu
zu Gasdrücke. Dampf z.B.
Dafür müßtest du dann mit der Kerze Wasser bis auf Heißdampf
und höher erhitzen und
Dieser Dampf treibt dann eine Turbine.

ja, ich meine tatsächlich eine Turbine. Eine Gasturbine
arbeitet auch nicht mit Dampf.
(http://de.wikipedia.org/wiki/Gasturbine)

Wie siehts da aus?

Ich schrieb „Dampf z.B.“.

Bei einer Gasturbine bekommst Du Druck durch die expandierende erhitzte Luft. Druck ist Bedingung.

#9

Hallo Peter,

Und was willst du da mit deinem Kerzchen ???

hast Du mein erstes Posting auch gelesen? Es gibt Stirling-Maschinen, die schon mit Handwärme laufen. Solche kleine Maschinen haben mit „richtigen“ Stirlingmaschinen im produktiven Einsatz ja fast gerade noch das Wirkungsprinzip gemeinsam. Was will ich denn da mit der Handwärme?

Ich frage jetzt: Ist es möglich, eine Wärmekraftmaschine ähnlich einer Gasturbine zu konstruieren, die mit einer Kerze als Energiequelle betrieben wird?

Den Link zur Wikipedia hab ich geliefert als Ergänzung, um zu zeigen, dass eine Gasturbine sich prinzipiell von einer Weihnachtspyramide unterscheidet. Es gibt natürlich Gasturbinen verschiedener Größe und ich möchte wissen, ob dieses Größenspektrum nach unten erweitern werden kann.

Viele Grüße
Stefan

#10

Hallo Matthias,

Leider muss ich dich enttäuschen.

das schaffst Du niocht so schnell.

Zum einen braucht man keine Gasturbine weil man eine
kontinuierliche Wärmezufuhr hat.

Die Kontinuierliche Wärmezufuhr war ein Kriterium. Die UND-Verknüpfung mit dem zweiten Kriterium (Verbrennung im arbeitenden Gasvolumen) führte mich auf die Gasturbine. Wenn es da Alternativen gibt, her damit.

Eine Gasturbine lässt sich nicht mit einfachen Mitteln bauen.

Ich interpretiere das mal als: Bisher hat noch niemand eine Gasturbine mit einfachen Mitteln gebaut.

Es sei denn, Du bist mit einem ganz einfachem Prinzip
zufrieden, also wo man sieht das sich etwas dreht z.B.
Die ganz klassische Dampfmaschine besteht da aus einem
Ballon(runder Kessel) aus Kupfer mit 2 Düsen für den
Dampfaustritt außen.
Der Ballon fängt unter Wärmezufuhr an, sich schnell zu drehen.

Den Begriff „Dampfmaschine“ lasse ich hier gerne gelten. Bei einer „klassischen Dampfmaschine“ denke ich aber schon eher an Watt und sehe Kolben. Was hier beschrieben wird ist aber ein Heronsball. Auch der hat die Wärmezufuhr von außen.

Eine periodische Dampfmaschine mit einem Kolben sollte aber
auch gehen. Nur, auch hier braucht man schon eine Drehmaschine
oder wenigstens eine Handbohrmaschine mit sowas wie Reibahlen
usw…

Es gibt insgesamt total viele Methoden der
Gasdruck-Bewegungsumsetzung, aber die Geräte einfach
herzustellen, ist es nicht.

Hier ein Bild, von dem, was es nicht gibt:
http://www.geocities.com/therecentpast/Engine1.jpg

Die Verwendung von Nägeln bei
Wärmekraftmaschinen ist eigentlich auch sehr eingeschränkt.

Die im ersten Posting erwähnte Negelspitze dachte ich als Lagerung für das einzige sich drehende Element in der Konstruktion.

Es gibt zum Beispiel den Drehkolbenverdichter. Den könnte man
auch als Motor verwenden. Aber der ist insgesamt mit am
schwierigsten herzustellen.

Ein Verdichter ist ja auch der Einströmbereich einer Gasturbine. Da aber als „Ventilator“. Kann ich sowas aus Blech biegen?

Gasturbinen gibt es in total vielen verschiedenen Bauformen.
Mit Ausnahme von bestimmten Spielzeugobjekten haben sie alle
eins gegenüber periodisch arbeitenden Systemen gemeinsam:
Sie sind erst wirtschaftlich ab einer größeren Leistung bzw.
größeren Bauart.

Gibt es so einen Schwellenwert nur für die Wirtschaftlichkeit, oder gibt es so einen Schwellenwert auch schon für die generelle Funktionsfähigkeit?

Vielen Dank schon mal für die Anregungen.
Stefan

#11

Hallo Conrad,

Wenn Du aber wirklich eine „Turbine“ meinst, benötigst Du dazu
zu Gasdrücke. Dampf z.B.
Dafür müßtest du dann mit der Kerze Wasser bis auf Heißdampf
und höher erhitzen und
Dieser Dampf treibt dann eine Turbine.

ja, ich meine tatsächlich eine Turbine. Eine Gasturbine
arbeitet auch nicht mit Dampf.
(http://de.wikipedia.org/wiki/Gasturbine)

Wie siehts da aus?

Ich schrieb „Dampf z.B.“.

Bei einer Gasturbine bekommst Du Druck durch die expandierende
erhitzte Luft. Druck ist Bedingung.

Jetzt kommen wir der Sache näher: Bei der Kerze verbrennt Wachs. Das hat danach als Verbrennungsgas höhere Temperatur als vorher und auch höheren Druck, wenn ich das Volumen konstant halte. Der Druck leistet dann die Arbeit wobei das Volumen vergrößert wird und das muss nicht in einem Kolben passieren, sondern kann auch per Turbinenschaufeln passieren.

Viele Grüße
Stefan

#12

Hallo Peter,

Und was willst du da mit deinem Kerzchen ???

hast Du mein erstes Posting auch gelesen?

Eben deshalb !

Es gibt
Stirling-Maschinen, die schon mit Handwärme laufen.

Aber auch einen Stirling kannst du nicht beliebig klein bauen.
Stellen wir uns mal vor, das Gasvolumen besteht nur noch aus einem Gasmolekül …

Ich frage jetzt: Ist es möglich, eine Wärmekraftmaschine
ähnlich einer Gasturbine zu konstruieren, die mit einer Kerze
als Energiequelle betrieben wird?

Den Link zur Wikipedia hab ich geliefert als Ergänzung, um zu
zeigen, dass eine Gasturbine sich prinzipiell von einer
Weihnachtspyramide unterscheidet. Es gibt natürlich
Gasturbinen verschiedener Größe und ich möchte wissen, ob
dieses Größenspektrum nach unten erweitern werden kann.

Wie ich oben schon gezeigt habe gibt es nach unten auf jeden Fall eine Grenze.

Ein grundsätzliches Problem bei thermodynamischen Maschinen ist, dass sie die Energie aus einem Temperaturgefälle gewinnen.
Nun bilden aber dein Konstruktionsmaterialien immer auch noch einen thermischen Kurzschluss zwischen Warm- und Kaltseite, da es keine Materialien gibt, welche Wärme gar nicht leiten.
Je kleiner du baust umso grösser wird dieser Anteil und somit geht das Temperaturgefälle gegen Null.

Stell dir vor deine Turbine ist 5mm lang. Wenn du diese in die Flamme hältst wird die gleichmässig aufgeheizt … Ohne Temperaturgefälle hast du keine verwertbare Energie.

Dann gibt es natürlich noch den Effekt, dass sich mit der Grösse, die Parameter nicht alle linear ändern. Bekanntlich ändert sich ein Teil linear, ein weiterer Teil im Quadrat und der Rest im Kubik…

MfG Peter(TOO)

#13

Hallo Peter,

Ein grundsätzliches Problem bei thermodynamischen Maschinen
ist, dass sie die Energie aus einem Temperaturgefälle
gewinnen.

Das ist mir klar. Die Kerzenflamme ist ja heißer als die Raumtemperatur. Da sollte also keine Beschränkung liegen. Der Unterschied zwischen heißer Kaffetasse und Raumtemperatur reicht ja für eine Stirlingmaschine auch.

Nun bilden aber dein Konstruktionsmaterialien immer auch noch
einen thermischen Kurzschluss zwischen Warm- und Kaltseite, da
es keine Materialien gibt, welche Wärme gar nicht leiten.

Diese Problematik leuchtet mir ein.

Je kleiner du baust umso grösser wird dieser Anteil und somit
geht das Temperaturgefälle gegen Null.

Stell dir vor deine Turbine ist 5mm lang. Wenn du diese in die
Flamme hältst wird die gleichmässig aufgeheizt

Ich dachte eigentlich eher, die Kerzenflamme sitzt da ganz in der Brennkammer. Die Kerze selbst bildet sozusagen die Achse des Ansaugstators. Irgendeine leichte Tragekonstruktion an der Kerzenflamme vorbei trägt dann über der Kerze die Achse der festen Antriebsschaufelkränze über der Flamme. Die Rotoren der Ansaugschaufelkränze unterhalb der Kerzenflamme und die Rotoren der Antriebsschaufelkränze über der Kerzenflamme sind gemeinsam an einem sich mitbewegenden Gehäuse befestigt, das die gesamte Kerzenflamme umschließt. Die Luft strömt also von unten durch den Verdichter wird in der Brennkammer erhitzt und leistet Arbeit, wenn sie danach nach oben durch die Antriebsschaufeln entweicht.

Vielleicht verwirrt diese Anordnung hier ein wenig. Die Rotationsachse ist auch die Kerzenachse und diese steht aufrecht. Stator ist innen, Rotor ist außen. (Ich weiß nicht, ob bei Turbinen die BEgriffe Rotor und Stator verwendung finden. Ich verwende sie analog zu Elektromotoren.)

Dann gibt es natürlich noch den Effekt, dass sich mit der
Grösse, die Parameter nicht alle linear ändern. Bekanntlich
ändert sich ein Teil linear, ein weiterer Teil im Quadrat und
der Rest im Kubik…

Auch die Problematik ist mir aus anderen Bereichen bekannt. Wie sehen konkret die Probleme bei der Skalierung von Turbinen aus.

Erstmal vielen Dank fürs Mitdenken.
Stefan

#14

Hallo

UND-Verknüpfung mit dem zweiten Kriterium (Verbrennung im
arbeitenden Gasvolumen) führte mich auf die Gasturbine. Wenn
es da Alternativen gibt, her damit.

Na gibt es bestimmt. Der Turbolader Im VW-Golf (G-Lader wäre ein Beispiel). Die hauptsächlichen Probleme sind der Wirkungsgrad und die Temperaturbeständigkeit.

Eine Gasturbine lässt sich nicht mit einfachen Mitteln bauen.

Ich interpretiere das mal als: Bisher hat noch niemand eine
Gasturbine mit einfachen Mitteln gebaut.

Meine Betonung liegt hierbei auf mehrere Stufen mit hohem wirkungsgrad.

Watt und sehe Kolben. Was hier beschrieben wird ist aber ein
Heronsball. Auch der hat die Wärmezufuhr von außen.

In angepasster Form geht der doch auch.

Ein Verdichter ist ja auch der Einströmbereich einer
Gasturbine. Da aber als „Ventilator“. Kann ich sowas aus Blech
biegen?

Einen Ventilator kann man aus Blech biegen. Bei Heizlüftern findet man sowas zuweilen.

Gasturbinen gibt es in total vielen verschiedenen Bauformen.
Mit Ausnahme von bestimmten Spielzeugobjekten haben sie alle
eins gegenüber periodisch arbeitenden Systemen gemeinsam:
Sie sind erst wirtschaftlich ab einer größeren Leistung bzw.
größeren Bauart.

Gibt es so einen Schwellenwert nur für die Wirtschaftlichkeit,
oder gibt es so einen Schwellenwert auch schon für die
generelle Funktionsfähigkeit?

Für eine Gasturbine mit Verdichter und Motor gibt es einen Schwellenwert. Das heißt, wahrscheinlich funktioniert es mit gebogenen Blechen überhaupt nicht.
Soll es eine Sirene sein, welche auf Pusten Lärm erzeugt, kommt man aber immerhin schon auf x