Keramikbrenner für einen Kohlekessel. Teil 2. (Erfahrungen bei der Erprobung)

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Keramikbrenner für einen Kohlekessel. Teil 2. (Erfahrungen bei der Erprobung)

Beitrag von Tüftler »

In einem Vorbericht habe ich über den Bau des Brenners berichtet. Ergänzend möchte ich über die beim Betrieb der endgültigen Version auftretenden Probleme und deren Behebung berichten. Das Thema kann zwangsläufig nur sehr textlastig behandelt werden. Ein Bericht in Etappen bietet sich ebenfalls nicht an. Ich habe daher alles in einem Block geschrieben.
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Wer nicht die Muße hat den ganzen Artikel zu lesen, sei auf die Zusammenfassung am Schluss verwiesen. Einzelne angesprochene Probleme werden ohnehin nur Selbstbauer interessieren. Ein gekaufter Brenner sollte ja problemlos funktionieren. Man zahlt schließlich mit, dass sich Andere Gedanken über Konstruktion und Funktion gemacht haben.

Beobachtungen beim Betrieb des Brenners in seiner letzten Ausbaustufe.

1. Das bekannte Phänomen, dass der Gasdruck in der Kartusche oder im Gastank durch die Verdunstungskälte abnimmt, machte sich wiederholt dadurch bemerkbar, dass es bei längerem Betrieb mit gut glühender Keramik ohne dass andere Parameter der Einstellung verändert wurden mit einem kurzen "Blob" zum Durchschlagen der Verbrennung unter die Keramik kam, die dann nicht mehr glühte. Durch Aufdrehen des Gasreglers war das nicht mehr zu korrigieren. Es mußte neu gestartet werden.

2. Bei zu hohem Gasangebot über die Weißglut der Keramikplatte hinaus traten mit zunehmender Länge Flammen über der Platte auf, die dann bei weiterer Steigerung des Gasangebots abhoben, so dass diese nicht mehr glühte. Die Kanäle der Keramikplatte wirken dann nur noch wie die Bohrungen im Brenner eines Flammrohrkessels mit entsprechender Geräuschentwicklung. Allerdings hatte ich den Eindruck, dass kleine Flämmchen über einer glühenden Keramikplatte die Wirkung des Brenners noch etwas steigern, da hier die direkte Beheizung durch die Flammen und die Wärmestrahlung der Keramikplatte zusammenwirken. Die Keramikplatte selbst ist dann aber an ihrer Kapazitätsgrenze angelangt. Für den Betrieb meiner Lok mit 4 bar hat ein hellrot glühender Brenner völlig ausgereicht. Wer damit nicht den gewünschten Erfolg hat, sollte sich Gedanken machen, ob er die Größe der Keramikplatte richtig gewählt hat.

3. Meine erste Keramikplatte hatte nach einiger Zeit mehrere Sprünge und bei bestimmten Einstellungen bildeten sich darum mehr oder weniger breite Bezirke, an denen die Keramik nicht mehr glühte, also schwarz erschien. Offenbar führte die durch die Risse eintretende Nebenluft zu einer partiellen Verbrennung unter der Keramik. Anfangs hatte ich diese nicht eingeklebt. Schwarze Zonen an den Rändern sprachen für das gleiche Phänomen durch zwischen der Keramik und der Brennerwand eintretende Nebenluft.

4. Die Verbrennung unter der Keramikplatte kündigte sich dadurch an, dass die kleinen Pyramiden auf denen die Kanäle in der Keramikplatte enden, als dunkle Ringe in der ansonsten noch glühenden Keramikplatte erschienen. Die Verbrennung fand also offenbar schon weit zur Unterseite der Keramik zu statt, während die Spitzen der Pyramiden bereits abkühlten. Als Vorbote des Durchschlagens trat auch ein "blubberndes Geräusch" auf, das offenbar von kleinen Explosionen unter der Keramik verursacht wurde. Das Phänomen war durch das Aufdrehen des Gasreglers oder durch die Verkleinerung der Luftzufuhr zum Mischrohr zu beseitigen.

5. Das Durchschlagen war ein ständiger Begleiter bei den Tests. Dabei kam dem Schieber, der die Luftzufuhr zum Mischrohr regelt , die entscheidende Bedeutung zu. Anfangs hatte ich ihn nur grob nach Gefühl verstell. Im Laufe der Tests stellte sich dann aber heraus, das im Grenzbereich eine Verschiebung um nur wenige Zehntel Millimeter schon entscheidende Wirkung hat . Am Ende war unter meinen Bedingungen eine Öffnung von nur ca. 1 / 4 des Luftlochs nötig.

6. Getestet habe ich Düsen von 0,2 - 0,17 - und 1.4 mm . Je kleiner die Düse, desto größer das Durchschlagsproblem . Die zu kleine Düse ist nicht mehr in der Lage ein ausreichendes Volumen an Gasgemisch zu liefern. Die Strömungsgeschwindigkeit in den Kanälen der Keramikplatte, bzw. der dadurch aufgebaute Druck reicht, dann nicht mehr aus, das Einströmen von Außenluft bis unter die Platte zu verhindern. Dazu kommt, dass bei der kleinen Drüse, wenn versucht wird durch Aufdrehen des Gasreglers die Brennerleistung zu steigern, das Gemisch durch den Venturieffekt besonders sauerstoffreich wird und im Extremfall keine Umgebungsluft mehr benötigt, um unter der Platte zu brennen. Für die Abmessungen meines Brenners war eine 0,2 mm Düse grenzwertig. Mit einer kleinen Reibahle aus dem Nachlass eines Urmachers habe ich sie noch etwas aufgerieben, kann aber nicht sagen, bei welchem Durchmesser ich gelandet bin. (Geschätzt 0,25 - 0,3 mm) Jedenfalls hat das dann zur endgültigen Lösung wesentlich beigetragen.

7. Die Entfernung der Düse zum Luftloch spielt offenbar keine entscheidende Rolle. Ich habe die käuflichen Düsen mit Filter und Sechseckkopf so abgedreht, dass sie gerade in das Mischrohr passen und verschoben werden können. Zu weit vor dem Luftloch macht keinen Sinn, da es dann auf dessen Höhe bereits zu Verwirbelungen kommt, die den Venturieffekt schwächen. Kurz vor oder bündig mit dem Anfang des Luftlochs war die Normalstellung. Durch weiteres Vorschieben könnte diese Anordnung sogar den außen liegenden Schieber ersetzen.

8. Beim Einbau in meine Lok haben sich die Verhältnisse nur wenig geändert. Anfangs hatte ich Bedenken, dass die Platte, die den Brenner vor Ort hält, oder die Hitze in der Umgebung des Stehkessels den Luftzustrom behindern. Vorgesehene Lüftungslöcher waren aber nicht nötig. Ob die Feuertür offen oder geschlossen ist, macht im Gegensatz zum Kohlebetrieb keinen wesentlichen Unterschied.

Anders als beim Flammrohrkessel muss im Kohlekessel auch bei Gasbetrieb für zusätzlichen Zug in der Feuerbüchse gesorgt werden. Beim Zünden sollte der Ventilator noch ausgeschaltet bleiben. Er würde die schwachen Flämmchen von der Keramikplatte wegreißen . Ich habe leider nicht das Luxusmodell mit einstellbarer Saugwirkung. Wenn weiche, blaue Flammen aus der Feuertür schlagen wird der Ventilator gestartet und gleichzeitig den Gasregler aufgedreht. Die Keramik braucht etwas Zeit bis sie glüht. Bei 1 bar konnte auf den Bläser übergegangen werden. Mein angestrebter Kesseldruck von 4 bar war nach 7-10 Minuten erreicht. Beim Nachspeisen mit der üblichen Pumpflasche war der Kesseldruck nach 50 Hüben immer noch für den Fahrbetrieb ausreichend. Nach 100 Hüben war nur eine kurze Wartezeit erforderlich. Gesamtvolumen des Kessels 330 ml, Füllvolumen ca. 250 ml.

Schlussfolgerungen

Ziel der Brennereinstellung ist, dass sich das im Mischrohr aufbereitete Gas-Luftgemisch mit der Außenluft innerhalb der Keramikplatte so mischt, dass ein brennbares Gemisch entsteht, das zu einer flammenlosen und damit auch lautlosen Verbrennung führt. Die von der glühenden Platte ausgehende Wärmestrahlung ist wesentlich effizienter als die Verbrennung mit offener Flamme.

Dass die Verbrennung in der Keramikplatte stattfindet und nicht darüber oder darunter ist von zwei wesentlichen Faktoren abhängig.

1. Dem Luft - bzw. Sauerstoffgehalt des von Gasdüse und Mischrohr angebotenen Gemischs.

2. Der Strömungsgeschwindigkeit der Luft-Gas-Gemischs in den Kanälchen der Keramikplatte. Bzw. dem Druck, der sich dadurch gegenüber dem Luftdruck der Umgebungsluft aufbaut.

Zu 1. Die Zusammensetzung des Gas- Luftgemischs, das im Mischrohr entsteht, hängt einerseits von der Stärke des Gasstrahls und andererseits von der Menge der beigemischten Luft ab. Je stärker der Gasstrahl umso mehr Luft wird beigemischt. Das Mischungsverhältnis kann durch den Schieber beeinflusst werden, der die Größe der Luftlöcher im Mischrohr bestimmt. Durch eine Verkleinerung kann vermieden werden, dass bei einem vermehrten Gasangebot mit dem Ziel eine höheren Brennerleistung zu erreichen, so viel Luft beigemengt wird, dass bereits unter der Keramikplatte ein brennbares Gemisch vorliegt.

Zu 2. Der Gasstrom in den Kanälchen der Keramikplatte hängt von deren Zahl und der Menge des angebotenen Gas- Luftgemischs ab. Durch ihn wird die Zone bestimmt in der sich das Gasgemisch und die Außenluft so vermischen, dass ein für die Verbrennung optimales Gemisch entsteht. Dabei spielt die Größe der Düse eine entscheidende Rolle. Ist sie zu klein kann selbst bei voll aufgedrehtem Gasregler und hohem Gasdruck die Menge des gelieferten Gemischs nicht genügen um eine ausreichende Strömung zu erzeugen, die verhindert, dass die Verbrennung unter die Platte durchschlägt.

Der Gasregler hat Einfluss sowohl auf die Zusammensetzung des Gemischs als auch auf die Strömungsgeschwindigkeit. Aber was die Zone der optimalen Verbrennung angeht mit gegensätzlicher Wirkung. Ein stark mit Sauerstoff angereichertes Gemisch braucht nur wenig zusätzliche Außenluft zur Verbrennung, die dann bereits tief in der Keramikplatte stattfinden kann. Der verstärkte Gasstrom verdrängt andererseits die Außenluft und verschiebt die Verbrennung eher zur Plattenoberfläche. Damit wird klar, dass mit dem Gasregler zwar die Verbrennung in der Platte nivelliert werden kann. Die grundlegenden Voraussetzungen dafür, dass die Verbrennung wie gewünscht innerhalb der Keramikplatte erfolgt, müssen aber zuvor durch die Schieberstellung am Mischrohr und die Düsengröße geschaffen werden.

In einem kleinen Video war der beschriebene Ablauf gut nachvollziehbar. Zunächst glüht die Keramikplatte nur oberflächlich und darüber brennen kleine blaue Flämmchen. Das Gemisch ist also noch sehr sauerstoffarm und braucht viel Außenluft um zu brennen. Da die Keramikplatte noch nicht eingeklebt ist, tritt viel Gasgemisch zwischen Keramik und Brennerwand aus. Daher sind hier besonders kräftige Flämmchen zu sehen.

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Beim weiteren Aufdrehen des Gasreglers wird das Gemisch immer sauerstoffhaltiger und braucht immer weniger Außenluft . Die Verbrennung kann folglich immer tiefer in der Keramikplatte stattfinden. Selbst am Plattenrand , wo besonders viel Gasgemisch austritt ist jetzt nur wenig Außenluft zur Verbrennung nötig. Die blauen Flämmchen werden immer kleiner und verschwinden Schließlich völlig. Die Platte glüht homogen über dunkelrot bis hellgelb.


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Schließlich werden die Bezirke um die Kanälchen und deren Verbindungsstege als dunkle Strukturen sichtbar. Die Verbrennung findet jetzt weit unten in der Keramikplatte statt so dass ihre Oberfläche schon wieder abkühlt.

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Das wäre spätestens der Zeitpunkt einzugreifen und den Luftschieber weiter zu schließen um dem Gemisch den Sauerstoff zu entziehen damit es nicht unter die Keramikplatte durchschlägt. Bis hierher ist der Sauerstoffgehalt des Gemischs der bestimmende Faktor. Beim weiteren Aufdrehen des Gashahns tritt die Strömungsgeschwindigkeit in den Keramikkanälen in den Vordergrund. Die Verbrennung wird aus der Keramikplatte verdrängt. Die Kanälchen in der Keramik werden zu Düsen und die Verbrennung findet über der Keramikplatte statt, die dann nicht mehr glüht. Dazu habe ich kein Bild. Leider ist die Qualität des Videos nicht vorzeigbar. Daher Einzelbilder die den Verlauf festhalten.

Konsequenzen

Für die bei der Einstellung eines Keramikbrenners am häufigsten auftretenden Probleme ergeben sich somit die Folgenden Konsequenzen.

- Beim Durchschlagen der Verbrennung unter die Keramikplatte Schieber weiter schließen. Im Grenzbereich mit nur kleinen Schritten. Wenn sich dadurch allein kein Erfolg einstellt, größere Düse wählen und erneut Schieberstellung anpassen.

- Wenn die Brennerleistung nicht ausreicht, Gastank heizen oder größere Düse verwenden.

- Der Gasregler dient der Feinnivellierung der Verbrennung in der Keramikplatte. Er sollte einen Einstellungsbereich von über der Keramikplatte wabernden blauen Flämmchen bis maximal Weißglut haben. Darüber hinauszugehen widerspricht dem Prinzip eines Keramikbrenners. Dass die Verbrennung in der Keramikplatte stattfinden kann, muss zuvor durch Luftschieber und Düsengröße gewährleistet sein.

- Wenn Weißglut der Keramikplatte nicht reicht, um einen ausreichenden Kesseldruck zu erzeugen, ist der Brenner unterdimensioniert und weitere Einstellmaßnahmen sind nicht zielführend. Im Zweifelsfall sollte daher der Brenner eher zu groß konzipiert werden. Mit der Option, ggf. später einige Kanäle in der Keramikplatte zu versiegeln.

- Wenn der Brenner Geräusche macht, stimmt etwas nicht. Siehe oben. Eine flammenlose und damit lautlose Verbrennung innerhalb der Platte findet nicht statt und das Ziel, vorrangig die Wärmestrahlung zu nutzen, ist nicht erreicht.

- Mit dem Gasdruck sollten bei Tenderlokomotiven durch die Nähe des Gastanks zum Kessel keine Probleme entstehen. Bei Unterbringung im Schlepptender kann eine Heizung erforderlich werden. Dazu reicht es, einen offenen Schlauch in das Wasserbad einzuleiten. Wer Dampf sparen will kann auch einen Heizkreis für das Wasserbad oder eine direkte Heizung des Gastanks installieren. Durch den zusätzlichen Schlauch steigt allerdings auch das Risiko, sich beim Ankoppeln des Tenders die Finger zu brechen.

Zu beachten ist auch, dass zu kleine Gasdüsen den Druck in der flexiblen Gasleitung zur Düse unnötig erhöhen, mit zusätzlichen Anforderungen an Material und Fixierung. Aus dem gleichen Grund muss der Gasregler auch vor der flexiblen Leitung liegen. Ansonsten würde sie mit dem vollen Druck des Gastanks belastet.

Zusammenfassend kann ich angesichts des komplexen Zusammenspiels der einzelnen Variablen weiterhin kein Patentrezept liefern. Probieren ist weiterhin angesagt. Ich hoffe aber, dass ich einige Anregungen zum Bau und zur Anpassung an besondere Betriebsbedingungen eines Keramikbrenners geben konnte und dass erkennbar wurde, welche Maßnahmen zu welchen Veränderungen führen und welche Fehler man vermeiden sollte.

Über die zugehörige Lokomotive, die 1907 von Orenstein & Koppel nach Tasmanien geliefert wurde, werde ich später einmal berichten. Dann gibt es auch wieder mehr Bildchen.
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