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Dampflokomotive: Blasrohr & Saugzuganlage
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Lokheizer


Anmeldedatum: 12.12.2011
Beiträge: 79
 Dampflokomotive: Blasrohr & Saugzuganlage

Vorbemerkung:
* Dieses Thema wurde von jenem Rätsel-Thread hier abgekuppelt.
* Die tw. berechtigten Proteste wg. der "Überladung" eines Rätsel-Themas mit "ellenlangen technischen Erörtertungen" wurden gelöscht.
* Dank an den Admin für die Einrichtung des Unter-Boards "Technik".
k. (Mod), 23. 2. 2012
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Grundlagen (Oder: Die einfache Erklärung)

Um Feuer anzufachen muss man ihm Luftsauerstoff zuführen. Aus diesem Grunde baute man an stationären Kesseln/Kesselanlagen sehr hohe Schornsteine. Wenn der Schornstein richtig dimensioniert, also auf die Abgasmenge und der Temperatur des Kessels/der Kesselanlagen abgestimmt ist, ist die Abgassäule im Inneren des Schornsteins leichter wie die umgebende Atmosphärenluft. Somit strömt die Abgassäule recht schnell aus dem Schornstein ab. Das witzige an der ganzen Sache ist, dass durch dieses schnelle Abströmen in der Feuerung ein leichtes Vakuum entsteht, welches Luft durch die Luftöffnungen quasi „einsaugt“ und somit der Verbrennung zur Verfügung stellt. Dieser Effekt hat sogar einen eigenen Namen bekommen, nämlich sinnigerweise „Kamineffekt“. Wer bis jetzt gut aufgepasst hat und ein bisschen Thermodynamik drauf hat erkennt sofort, dass am Kamineffekt wieder einmal der Herr Bernoulli schuld ist. Die Auslegung solcher großen Schornsteine ist übrigens komplexer als angenommen. Selbst nach der Inbetriebnahme müssen noch umfangreiche Messungen vorgenommen werden; wichtig sind in diesem Zusammenhang die Abgastemperatur, die Abgasmenge und (teilweise) die chemische Beschaffenheit der Abgase. Die Abgase im Schornstein dürfen keinesfalls unter ihren Taupunkt abkühlen und kondensieren, da der Schornstein sonst innerhalb kürzester Zeit versottet.
Ein kleiner Exkurs: In London kondensierten 1952 die Abgase aus den Kohleheizungen und erzeugten damit einen dichten Nebel. Tausende Menschen starben im „The Great Smog“. Link: http://de.wikipedia.org/wiki/Smog-Katastrophe_in_London_1952

Aber was hat der Schornstein einer stationären Kesselanlage mit Dampflokomotiven zu tun? Eigentlich nicht wirklich viel. Der oben beschriebene Kamineffekt, also der natürliche Zug, kann in einem Siederöhrenkessel nach Stephenson (also praktisch der einzige Kessel, der sich im Lokomotivbetrieb bewährte – natürlich mit ein paar Verbesserungen) nicht wirklich funktionieren. Die etwas „eingeengte“ Konstruktion bietet den Rauchgasen einen sehr hohen Strömungswiderstand und in Verbindung mit dem niedrigen Schornstein erzeugt der Kamineffekt lediglich einen geringen Saugzug, der gerade dazu ausreicht um das Feuer so halbwegs am Leben zu halten.

Aus diesem Grund wird das Feuer angefacht. 1801 kam Richard Trevithik auf die Idee, den Abdampf der Dampfmaschine zur Anfachung des Feuers zu benutzen (nach einigen Versuchen mit einem Blasbalg). Er erfand damit das Blasrohr. Das Blasrohr ist ein relativ einfaches (manchmal dezent konisches) Rohr das senkrecht unter dem Rauchfang in der Rauchkammer auf dem Standrohr steht. Am oberen Ende sitzt auf vielen europäischen Blasrohren noch der Blasrohrring, der etwas kleiner ist als der Durchmesser des Blasrohrs. Mit diesem Ring ist oft eine kleine Feineinstellung möglich, was jedoch meistens nicht nötig und außerdem sehr schwer abzustimmen ist.

Das Standrohr ist mit den Ausströmrohren verbunden (der Name für jenes Gussstück, das die beiden Ausströmrohre zusammenführt ist mir entfallen). Somit strömt der Abdampf aus der Dampfmaschine direkt in das Blasrohr. Am Blasrohrring angekommen, strömt dieser scharfe Dampfstrahl in einem definierten Kegel durch die Rauchkammer in den Schornstein. Ganz wichtig an dieser Stelle ist, dass dieser Kegel etwa einige Zentimeter nach dem inneren Schornsteinkragen allseitig und rundum gleichmäßig auf die Schornsteinwand trifft. Auf der kurzen Wegstrecke durch die Rauchkammer, auf der der Dampfstrahl im „Freiflug“ durch die Rauchkammer saust, reißt er sämtliche sich in der Rauchkammer befindliche Rauchgasmasse mit und erzeugt damit ein Vakuum. Dieses Vakuum pflanzt sich bis in die Feuerbüchse fort (genau genommen sogar bis in den Aschkasten; ganz genau genommen sogar bis in die Ebene der Luftklappen, wo es dann mittels eines dynamischen Druckgefälles abklingt) und zieht somit Luft durch die Luftklappen durch das System. Dadurch wird das Feuer stark angefacht.

Wer sich diese Vakuumerzeugung schwer vorstellen kann: Es gibt im Baumarkt Anschlussstücke für die Verbindung zwischen Duschkopfschlauch und (Mischer-)Armatur, welche seitlich ein kleines Loch haben (ca. 2 mm Durchmesser). Das mit schneller Geschwindigkeit durch das Anschlussstück strömende Wasser saugt Luft durch das besagte Loch ein und bewirkt einen gewissen „Perl-Effekt“ beim ausströmenden Brausestrahl. Diese Erklärung auf die Saugzuganlage einer Dampflokomotive umzumünzen ist zwar etwas wage, aber vielleicht kann Mancher es sich so etwas leichter vorstellen.

Je mehr Abdampf zur Verfügung steht, desto stärker wird das Feuer angefacht. Somit ist dieses System sozusagen selbstregelnd. Für die Anfachung im Stillstand gibt es den Hilfsbläser: Er besteht aus einem Ring um das Blasrohr oder etwas darüber (aber außerhalb des Strahlkegels vom Blasrohr!) mit vielen kleinen gleichmäßig angeordneten Löchern, die nicht gerade – also lotrecht – sondern mit einem bestimmten Winkel zur Senkrechten gebohrt sind. Strömt in diesen Ring Dampf ein, so bewirkt er den gleichen Effekt wie das Blasrohr und erzeugt einen Saugzug.

Schornsteine und Blasrohre können verschieden ausgeführt sein. So gibt es zylindrische und konische Rauchfänge und auch hoch- und tiefliegende Blasrohre. Eine wirkliche Aussage welche Ausführung die „Beste“ ist, lässt sich wie so oft nicht treffen. Allerdings bietet der konische Rauchfang der Bauart Prüssmann gegenüber dem einfachen zylindrischen Rauchfang einige Vorteile, ist aber wesentlich komplexer zu berechnen. Ein aus dem Gedächtnis wiedergegebenes Zitat von Adolph Giesl-Gieslingen: „Wer einen konischen Rauchfang zu berechnen weiß, der ziehe ihn dem Zylindrischen immer vor.“

Es gibt dann noch verschiedene spezielle Varianten des weit verbreiteten „herkömmlichen“ Blasrohres in Verbindung mit speziellen verschiedenen Schornsteinen. Ich denke, dies noch weiter auszuführen würde den Rahmen dieses Beitrags sprengen, weshalb ich nur einige genannt haben will: Kylchap-Blasrohr, Giesl-Ejector, Lempor-Blasrohr, Lempex-Blasrohr sowie die in Deutschland gern ausgeführte Variante mit Stegen auf dem Blasrohrring.


Theorie (Oder: Ausführungen für Fortgeschrittene)

Die Saugzuganlage einer Dampflok ist ein sehr komplexes System. Kleine Fehler können riesige Auswirkungen haben, so kann zum Beispiel ein schmaler Grat aus einem klebrigen Ruß-Heißdampföl-Gemisch auf dem Blasrohrring den Ausströmkegel so verändern, dass er auf die Kante zwischen Rauchfangmündung und Rauchkammer trifft und somit starke Verwirbelungen hervorruft. Das Rauchkammervakuum bricht dann massiv ein und erreicht keine brauchbaren Werte für den Betrieb. Wenn man an der Rauchkammer ein Manometer mit einer Skala für absoluten Druck anbringt kann man sogar eine Drucksteigerung während der Fahrt beim Anstellen der Rauchkammereinspritzung feststellen. Diese Drucksteigerung ist zwar vollkommen bedeutungslos und vernachlässigbar, zeigt aber, wie empfindlich die Saugzuganlage ist.

Die Berechnung von Schornstein und Blasrohr ist relativ einfach, komplizierter wird erst das abschließende Berechnungsmodell der kompletten Saugzuganlage. Dazu gehört nämlich eigentlich alles, von den Luftklappen im Aschkasten (sogar deren Gitter muss man beachten!) bis zur obersten Schornsteinkante. Auch das Ablenkblech auf der Innenseite der Rauchkammertür spielt eine (wenn auch kleine) Rolle. Um nicht zu stark ins Detail zu gehen möchte ich hier nur zwei Schornstein-Blasrohr-Methoden vorstellen, die zwar nur Näherungen sind, aber dennoch recht brauchbare Resultate liefern.

Die nordamerikanische Variante ist zwar etwas schwierig zu verstehen, aber sie arbeitet mit relativ wenig (mir) unbekannten Konstanten und ist damit am effektivsten. Ich versuche, komplett auf Skizzen zu verzichten – sollte die Methode nicht verstanden werden, werde ich gerne eine Zeichnung nachreichen.

Nordamerikanische Methode:
Die gesamte Methode baut auf der Fläche des freien Querschnitts der Siedrohre auf. Diesen zu ermitteln ist recht einfach, man muss lediglich über den inneren Rohrdurchmesser die Fläche eines Rohres berechnen und diese Fläche mit der Anzahl der Rohre multiplizieren. Somit ergibt sich F [m²]. Hier erkennt man auch gleich die erste Problematik aller Berechnungsverfahren: Der Querschnitt F ändert sich im Betrieb ständig, einige Rohre setzen sich zu während andere wiederrum frei werden.
Mittels 0,25F (gemittelt; Grenzen 0,23F und 0,27F) kann man den engsten Schornsteindurchmesser Du bestimmen, dieser sollte etwa 760 mm (ein Zufall?) unter der Schornsteinoberkante liegen. Somit existiert bereits der Schornstein und das Kegelverhältnis hat sich auf 1:12 bis 1:15 festgelegt. Der Schornsteindurchmesser D1, der 305 mm unter der Schornsteinoberkante gemessen wird liegt damit auch fest, dieser ist wichtig für die Bestimmung des Blasrohrdurchmessers.
Der Blasrohrring liegt etwa 370-400 mm unter dem engten Schornsteindurchmesser Du.
Jetzt bringen wir die Länge zwischen Blasrohrring und D1 ins Spiel und nennen sie h. Damit können wir nun leicht den Blasrohrdurchmesser dB ermitteln: dB = D1 – 0,175h
Dies ergibt einen Strahlungskegel von 10°, für andere Kegel muss ein neuer Wert für die Konstante 0,175 ermittelt werden.
Wer sich diese Sache aufzeichnet wird es sehr leicht haben, die Berechnung nachvollziehen und durchführen zu können.

In England geht man übrigens von dB ~ 1/4d aus, wobei d der Zylinderdurchmesser ist. Das funktioniert nur deshalb, weil die Zylinderdurchmesser dort wesentlich kleiner sind.

Es sei mir die Zuordnung von Variablen verzeiht, ich möchte lediglich vorbauen um beim Erstellen einer etwaigen gewünschten Skizze leichter Anmerkungen machen zu können. Wenn die Formelschreibweise nicht verständlich ist, kann ich gerne eine andere Darstellungsweise per Grafik hochladen.

Methode der DR von Friedrich Wilhelm Eckhardt:
Friedrich Wilhelm Eckhardt entwickelte eine Methode, in welcher der Strömungswiderstand des Kessels berücksichtigt wird. Es gibt mehrere Varianten, wovon ich lediglich eine einzige, nämlich die Variante für Kessel ohne Vorwärmer, vorstellen möchte. Leider finden sich darin sehr viele Konstanten die es sehr schwer machen, der genauen Theorie dahinter zu folgen.
dB = sqrt(Hv(157-(0,00247HvHr)/(R F))))
Dabei ist:
Hv .. direkte Heizfläche wasserberührt [m²]
R .. Rostfläche [m²]
Hr .. feuerberührte Heizfläche der Rohre [m²]
F .. freier Querschnitt der Rohre [m²]

Nun gibt es noch einige Korrekturkombinationen, deren Ausführung aber diesen Rahmen sprengen. Man muss bei der Verwendung dieser Methode unbedingt bedenken, dass sie auf die Baurarten der Reichsbahn zugeschnitten sind. Ich erzielte für verschiedene österreichische Loktypen teilweise recht genaue Werte. Wesentlich genauer erscheint mir aber die weiter oben angeführte amerikanische Methode zu sein.

Eine kleine Faustformel:
Blasrohrfläche [cm²] = direkte Heizfläche wasserseitig [m²]
Diese Formel stammt von Wagner und kann zur groben Näherung verwendet werden. Man sollte sich allerdings keine Wunder erwarten.

Sehr wichtig ist auch die Beachtung des Gegendrucks in den Zylindern. Steigt dieser zu stark an, verliert die Saugzuganlage sehr schnell an Wirkungsgrad. Dabei ist nicht nur der gern angegebene mittlere Gegendruck von Bedeutung, sondern auch die realen Druckwerte an den verschiedenen Positionen des Kolbens. Ein von mir gern genanntes Beispiel – auch wenn es nun nicht ganz in das Thema passt – ist die Berechnung des mittleren Gegendrucks bei extrem geringen Füllungen in Verbindung mit hohem Schieberkastendruck. Dabei ergibt der gemittelte Wert einen annehmbaren Gegendruck. An dieser Stelle wird gerne übersehen, dass während dem Auspufftakt, wenn der Kolben kurz vor dem Totpunkt steht, der Schieber bereits schließt und somit der Kolben auf seinen letzten Zentimetern jede Menge Gase komprimieren kann. Auch wenn der Zylinderdruck meistens in diesem Augenblick noch keine gefährlichen Größenordnungen annimmt und man davon ausgeht, dass die Zylinder durch die Verwendung von Flachschiebern, Zylindersicherheitsventile oder Bruchplatten gegen Überdruck hinreichend gesichert sind, kann dieser kurzzeitige Druckaufbau sehr schwere Schläge verursachen. Diese Schläge wirken naturgemäß stark beanspruchend auf das gesamte Triebwerk.

Abschließend möchte ich noch anmerken, dass sehr viele Informationen in diesem kleinen „Aufsatz“ aus meinem Gedächtnis und aus Notizen stammen und dieses Wissen aus bisherigen Erfahrungen aus der Praxis (also auf der realen Dampflok selbst), aus meinen nächtlichen „selbstgebauten“ Theoriestunden (meine bessere Hälfte nannte mich tatsächlich schon einmal „Freak“ [wahrscheinlich bin ich das auch]), stundenlangen Fachgesprächen mit Kollegen, aber zu einem großen Teil natürlich auch aus der Fachliteratur stammen. Leider weiß ich manche Quellen nicht mehr (ja, ich sollte mir mehr aufschreiben) und kann daher keine genauen Angaben darüber machen. Jeder, der sich aber für diese Thematik interessiert sei angeraten, sich die „Anatomie der Dampflokomotive“ von Adolph Giesl-Gieslingen zu besorgen. In diesem Werk wird nicht nur die Saugzuganlage umfangreich thematisiert sondern es finden sich auch sehr viele wertvolle Verweise auf andere Werke, die oftmals noch viel weiter ins Detail gehen.
_________________
Grüße
Lokheizer


BeitragVerfasst am: Sa 11-02-2012, 17:00
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Lokheizer


Anmeldedatum: 12.12.2011
Beiträge: 79
Nachtrag:

Ich habe mir den Text mehrmals durchgelesen, aber es finden sich bestimmt noch einige einige Fehler. Wer sich daran stört, bitte eine kurze Mitteilung und ich werde den Fehler umgehend ausbessern.
_________________
Grüße
Lokheizer


BeitragVerfasst am: Sa 11-02-2012, 17:02
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Klaus
Moderator


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Beiträge: 1089
Wohnort: dort, wo der Bartl den Most holt
Lokheizer hat Folgendes geschrieben:
Das Standrohr ist mit den Ausströmrohren verbunden (der Name für jenes Gussstück, das die beiden Ausströmrohre zusammenführt ist mir entfallen).
Ausströmzweigrohr.

Gruß, k.

PS: Ich würde mir wünschen, dass sich der eine oder andere Wissende, Interessierte oder bloß Neugierige mit Informationen, Anregungen oder Fragen beteiligt (Merke: Fragen kostet nix, ist aber nicht umsonst ). Andernfalls wäre es zweckmäßiger, Erörterungen über manche grundlegenden Prinzipien von (Schmalspur-*)Dampflokomotiven privat (per Mail) abzuführen und damit nicht die Userschaft hier zu "belästigen" ...

* Mir ist bewusst: Wir sind hier in einem Schmalspur-Forum. Aber: Auch wenn das sog. Saugzugprinzip ein "universelles" Prinzip (fast) jeder Spielart von Dampflokomotivkonstruktion ist, könnte man z. B. hier in weiterer Folge zeigen, wie die "Beherrschung" des Saugzugs gerade bei schmalspurigen Loks mit ihren spezifischen Anforderungen (z. B. enge zu durchfahrende Bögen, tw. Steilstrecken und/oder häufige Gefällewechsel, Versorgung mit Betriebstoffen, tw. Bedienungs- und Wartungs"freundlichkeit" etc.) und Beschränkungen (Spurweite, Kostenfaktor etc.) die konstruktionstechnische Durchformung mancher Schmalspur-Baureihen wesentlich mitgeprägt hat.
_________________
"Zwei Dinge sind unendlich: das Universum und die menschliche Dummheit. Aber bei dem Universum bin ich mir noch nicht ganz sicher." (Albert Einstein)

BeitragVerfasst am: So 12-02-2012, 02:27
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Klaus
Moderator


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Wohnort: dort, wo der Bartl den Most holt
Nachtrag:

Die Brücke von der theoretischen (thermodynamischen) Fassung des Saugzugs im Allgemeinen und des Lokomotivblasrohres im Konkreten zur praktischen Berechnung der Saugzuganlage schlug als Erster im deutschsprachigen Raum der deutsche Physiker und Ingenieur Gustav Zeuner:
"Das Locomotiven-Blasrohr. Experimentelle und theoretische Untersuchungen über die Zugerzeugung durch Dampfstrahlen und über die saugende Wirkung der Flüssigkeitsstrahlen überhaupt" (Zürich 1863).
Gratis-Downloads als Faksimile-PDF:
* Google Books: http://books.google.at/books/about/Das_Locomotiven_Blasrohr.html?id=GVZJAAAAYAAJ&redir_esc=y (rechts oben auf das Zahnrad-Symbol klicken > "PDF herunterladen"; ca. 6 MB).
* Bayerische Staatsbibliothek digital: http://www.bsb-muenchen-digital.de/~web/web1006/bsb10060246/images/index.html?digID=bsb10060246&pimage=1&v=pdf&nav=0&l=de (62 MB, jedoch bessere Scan-Qualität).

Gruß, k.

(Drohung: wird fortgesetzt.)
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"Zwei Dinge sind unendlich: das Universum und die menschliche Dummheit. Aber bei dem Universum bin ich mir noch nicht ganz sicher." (Albert Einstein)

BeitragVerfasst am: Mi 15-02-2012, 02:08
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Lokheizer


Anmeldedatum: 12.12.2011
Beiträge: 79
Ein weiterer Nachtrag:

Ich habe zum besseren Verständnis in meinem Aufsatz mit Ausführungen über Schornsteine für stationäre Feuerungsanlagen begonnen. Da auch dieses Thema (finde ich zumindest) sehr interessant ist, möchte ich Interessierten folgendes Werk empfehlen:

Über den Zug und die Kontrolle der Dampfkessel-Feuerungen
Ed. Donath
(Professor der chemischen Technologie an der k. k. technischen Hochschule in Brünn)
1902


Es behandelt, teilweise auch in chemischer Richtung, die Ausführung und Berechnung von Schornsteinen sowie von Zugkontrolleinrichtungen. Wenn Interesse besteht, versuche ich selbst ein Berechnungsbeispiel an einem Schornstein für eine stationäre Feuerung zu erstellen.
_________________
Grüße
Lokheizer


BeitragVerfasst am: Mi 15-02-2012, 11:06
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