Ein kohlegefeuerter Dampfkessel im Eigenbau – Planung und Berechnung

1. Kesseltyp
   • Nasse Feuerbüchse
2. Funktionen
3. Abmessungen
4. Berechnungen
   • Rauchrohre
   • Feuerbüchse
   • Heizfläche
   • Rostfläche
   • Kesselbelastung
   • Volumen
5. Technische Daten
6. Quellen / Formeln

Schon im für den Dampfmodellbau gültigen Standardwerk Handbuch Modelldampfmaschinen geht eine Binsenweisheit hervor, deren Gültigkeit wohl kaum abzustreiten ist: Den Kessel juckt keine Sau! Zu interessant ist im Vergleich das Aggregat einer jeden Dampfmaschine, sei es stationär, auf Schienen oder gar Rädern, Walzen etc.. Außerdem: Der Betrieb ist aufwändig. Das merkt man nicht zuletzt daran dass heutige Industriedenkmäler, wo noch eine Dampfmaschine zu Demonstrationszwecken läuft, praktisch immer nur noch mit Druckluft oder Strom betrieben wird. Spätestens, wenn man sich selbst mit dem Bau von Echtdampfdampfloks beschäftigt, bekommt man allerdings einen ganz anderen Blick auf den Kessel.

Als kleines Kind bekam ich eine Wilesco D20 geschenkt. Da das Kind nach Meinung der Eltern die Schwefelhölzer noch zu meiden hatte, wurde sich für eine elektrische Variante entschieden, die D202 um genau zu sein. Das war schön, aber es fehlte etwas Entscheidendes: Das Beschicken des Feuers um direkten Einfluss auf die Druckverhältnisse des Kessels nehmen zu können. In halbwegs gesetztem Alter ist nun die Gelegenheit günstig den ersten eigenen Kohlekessel zu bauen. Er dient zum einen als Fingerübung für das später noch zu bauende und ausführlich zu behandelnde Bergische Elektrizitätswerk in 1:22,5. Zum anderen „stand plötzlich“ eine große stationäre Dampfmaschine im Keller die noch eines leistungsfähigen Kessels bedurfte.

Welcher Typ Kohlekessel entsteht?

Es wird ein stehender Kessel mit Rauchrohren werden. Durch den Kamineffekt hoffe ich damit weitestgehend auf einen Hilfsbläser verzichten zu können, wenngleich ich ihn schon um der Vollständigkeit Willen mit einplane. Ein wenig Unterdruck in der Rauchkammer schadet nie. Gelötet wird der Kessel hart und aus Kupfer. Die tatsächlichen Dimensionen bestimmen sich aus klaren Faktoren: Was da ist! Die Echtdampfbemühungen der mittleren 90er Jahre haben noch eine ganze Menge Buntmetall übrig gelassen und so fand ich viele große Kupferrohre unterschiedlicher Stückelungen, denen es nun an den Kragen geht. So findet sich unter anderem Kupfer als 76mm – sowie als 54mm Rohr, womit sich sicher schon einiges anstellen lässt. Und wie es die glückliche Fügung will gibt es zumindest schon einen fertig gefrästen Deckel / Zwischenboden.

Die Feuerbüchse wird mit dem 54mm Rohr realisiert, welches unten zentral im Kessel liegen wird und somit vollständig von Wasser umgeben ist, dazu weiter unten mehr. Die Beschickung erfolgt durch ein 22mm Rohr. Es gab sinnvolle Überlegungen dies größer zu gestalten um eine bessere Beschickung des Feuers zu ermöglichen, allerdings wirkte es von den Proportionen her komisch wenn die Feuertür so groß wird wie der Durchmesser der Büchse selbst. Also wird ruhiges und geschicktes Händchen gefragt sein – oder ein maßstäblicher Besen.

Nasse Feuerbüchse

Der Vorteil einer nassen Feuerbüchse ist, dass diese komplett vom Wasser bedeckt ist und bleibt, was zum einen einen sehr effektiven Wärmeübergang der Energie des verfeuerten Brennstoffs auf das Wasser ermöglicht. Das ist auch nötig, da der Heizwert eines stehenden Kessels ohnehin im Besten Fall nur in etwa halb so groß ist wie der eines liegenden Kessels. Die Effizienz ist also nur halb so groß, da ein Großteil der Wärme schnell durch den Kamin verpufft.
Zum anderen reduziert eine nasse Feuerbüchse gleichzeitig die Temperatur am Außenbereich und nicht zuletzt natürlich auch an den Innenwänden der Feuerbüchse selbst, was einen etwas beruhigter sein lässt hinsichtlich Material und Lötnähte.

Funktionen des Kessels

Wenn man schon mal dabei ist, kann man sich ja auch gut mal verwirklichen. Ein kleiner Exkurs: Das KISS (keep it simple, stupid) Prinzip habe ich ziemlich verinnerlicht was die Anwendungsentwicklung angeht. Gleichzeitig können es für mich aber gar nicht genug Schalter und Knöpfe – Individualisierungsmöglichkeiten – sein. In der Softwareentwicklung hat man dafür die segensreichen „erweiterten Optionen“, für einen Dampfkessel gilt das freilich nicht. Ich will alles, also maximiere ich auch damit die möglichen Fehlerquellen. Sei es drum.

Dampfentnahmepunkte

Im vorderen Bereich wird es oben zentral zwei Dampfentnahmepunkte geben, die ihrerseits mit T-Stücken ausgerüstet weitere Verteilung ermöglichen. Hieran kommen zwei Entnahmepunkte für den Antrieb von Aggregaten. Im unteren der beiden Entnahmepunkte wird über ein T-Stück das Manometer sowie die Dampfpfeife angeschlossen.

Links im oberen Bereich des Kessels entstehen ebenfalls zwei Dampfentnahmepunkte. Der eine ist für eine Dampfspeisepumpe (nicht geplant, aber vorsorglich berücksichtigt), der andere für den Hilfsbläser. Eine Rohrleitung soll auf der linken Seite direkt in die Rauchkammer zum Hilfsbläser führen. Auf der gegenüberliegenden Seite, also rechts, kommen die Anschlüsse für die Dampfüberhitzung: Ein Nippel für die Zuleitung (kommend vom Dampfhahn 1 oder 2) und jeweils ein M5 und M6 Ausgang. Im Inneren wird dann vom Eingang ein Edelstahlrohr durch das Hauptzugrohr gelegt und wieder hochgeführt zu den Dampfentnahmepunkten für den überhitzten Dampf.

Sicherheitstechnische Einrichtungen

Ebenfalls im oberen Bereich kommt hinten (auf 180°) auf selber Höhe wie links und rechts die Sicherheit: Das Sicherheitsventil sowie ein weiteres Überdruckventil mit Dampfdompfeife – allerdings nicht Wilesco-like, sondern eher ein schmales Teil im Selbstbau wie eine Einheitspfeife. Daneben noch ein Handrand zur Notwasserung der Feuerbüchse, welches den Dampf in die Feuerbüchse bläst. Dies aber nur wenn ich es auch wirklich auf die Spitze treiben will. Die Idee scheint mir ganz nett, der tatsächliche Nutzen gering und die damit verbundene Arbeit eigentlich zu groß. Zentral auf 10-20cm sitzt vorne dann noch ein 6mm Wasserstand. Damit sind, wenn der Wasserstand am oberen Ende angezeigt wird, noch immer gut 7cm Dampfraum und am unteren Ende noch immer 4cm bis zur Feuerbüchsendecke.

Wasserzufuhr

Unten links gibt es zwei Zuführungen für Wasser direkt an den Spatien. Einmal für manuelle Nachspeisung (Wasserpumpenflasche) und einmal für eine wie auch immer geartete Speisepumpe. Auf der rechten Seite gibt es unten dann noch einen Ablasshahn.

Ich glaube ich habe an alles gedacht.

Abmessungen des Kessels

Grenzen hinsichtlich der Höhe gibt es theoretisch kaum, denn das längste Rohr auf Lager ist über einen Meter. Sinnvoll ist so ein Trümmer bei 76mm Außendurchmesser freilich nicht, die Proportionen sollten doch irgendwie stimmig aussehen und vor allem sollte es nicht zu kippanfällig werden.

Illustration des Kohlekessels

Da das innere Kupferrohr 54mm hat, ergibt sich eine Rostfläche von rund 20cm², auch dazu weiter unten mehr in den Berechnungen. Witzigerweise, maßstäblich von 1:22,5 hoch skaliert, entspricht das ziemlich exakt den 4,5m² Rostfläche, welche dem Heizer so gerade noch als händisch zu bewirtschaftende Fläche einer Dampflok zugemutet werden kann. Die Baureihe 45 erreichte diese Dimension. Dahingehend ist maßstäblich zumindest alles im Lack. Tatsächlich spielt der Maßstab aber keine Rolle.

Die Höhe der Feuerbüchse ist 60mm. Daraus ergibt sich dann auch das Maß des restlichen Kessels, da ich über den Daumen ein Viertel für die Feuerbüchse, 2/4 für den Wasser und 1/4tel für den Dampfraum anvisiert habe.

Die Höhe ohne Rauchkammer (Deckel) wird also gut 220mm betragen, unten brauche ich noch 10mm für die spätere Verschraubung des Außenkessels mit dem Aschekasten. Oben hätte ich gerne noch ein wenig Platz für die Positionierung von Überhitzerrohr, Wässerung der Feuerbüchse und den Hilfsbläser, der direkt auf dem Kesseldeckel liegen wird. Daumen mit einberechnet lande ich bei 300mm und siehe da: Ein fertig konfektioniertes DN76 in 300mm liegt auf Lager. So ein Zufall!

Berechnungen zum Dampfkessel

Der Flächenberechnung zum Mantel der jeweiligen Bauteile liegt natürlich die Formel für zylindrische Körper 2r*π*l bzw. d*π*l zugrunde. Die Heizfläche HF bestimmt sich durch die direkt mit dem Kesselwasser in Kontakt kommenden Flächen, dazu weiter unten mehr. Dies sind die Heizrohre sowie die Feuerbüchse.

Die Heizfläche HF

Illustration Heizfläche

Der Heizfläche eines Dampfkessels bestimmt sich aus den Bauteilen, welche direkt oder indirekt mit Feuer oder Rauchgasen in Berührung kommen und geeignet sind dem Wasser im Kessel Energie zuzuführen. Dazu zählt die Feuerbüchse als solches, aber auch die Rauchrohre. Es ist hinsichtlich der Bemessung anzumerken dass die Feuerbüchse ein um den Faktor 5 höheres Energiepotential auf das Wasser abgeben kann als die Rauchrohre selbst. Neuere Dampfloks haben aus diesem Grund auch eine weiter in den Kessel hineinragende Feuerbüchse. Die Heizfläche benötigt man für die Bestimmung der Kesselkapazität – dazu weiter unten mehr.

Maßgeblich für die Heizfläche ist das Innenmaß, also die von der Wärme angestrahlte Seite. Ich habe aus praktischen Erwägungen sämtliche Berechnungen dennoch mit den Außenmaßen der Bauteile durchgeführt. Auf Reduzierung der Ergebnisse um den prozentualen Wert von Innenmaß zu Außenmaß verzichte ich, dafür sind im Modellbau die Unterschiede ohnehin zu gering.

Die Rauchrohre

Der Kessel wird 8 Rauchrohre mit ∅ 10mm spendiert bekommen. Ich plante eigentlich mit 12mm Rohr, das passte bei der 54mm Rauchkammer jedoch nicht mehr. Bei der errechneten Höhe von 220mm ergibt sich eine Fläche von 8*(220*(10*π)) = ~55.300mm². Das mittlere Hauptzugrohr hat einen Durchmesser von 22mm, ergibt also 220*(22*π) = ~15.200mm². Zusammen haben die Heizrohre damit eine Fläche von 70.500mm² bzw. 705cm².

Die 8 Nebenrohre zu je 10mm ersetzen praktisch drei weitere ∅ 22mm Rohre. Diese Einzulöten wäre sicher einfacher gewesen, aber ich mache das hier ja nicht unter dem Aspekt der maximalen Effizienz der einzelnen Bearbeitungsschritte. Es wird noch einige Punkte geben die durchaus hätten einfacherer gestaltet werden können – aber schöner?

Die Feuerbüchse

Feuerbüchse Kohlekessel

Die Feuerbüchse des Kohlekessels wird wie bereits geschrieben mit einem ∅ 54mm Kuperrohr realisiert, welches ebenfalls noch auf Lager war. In dieses wird ein Loch mit einer Öffnung von 22mm gebohrt, welches dann durch den Kessel nach außen geführt wird und mit einer einteiligen Feuertür abschließt. Die Höhe der Feuerbüchse wird 60mm betragen. Daraus ergibt sich eine Mantelfäche von (54*π)*60 = ~10179mm². Von dieser abgezogen werden muss jetzt noch die Öffnung zur Feuertür mit (22/2)² * π = ~380mm² und hinzu addiert werden die Mantelfäche der Öffnung selbst. Die Länge des Feuertürrohrs ist die halbe Differenz des Innenmaßes des Außenmantels zum Außenmaß der Feuerbüchse, also 22 * π * (72-54)/2 = 622mm². Die Schlussrechnung ist damit 10179-380+622 = 10421mm² bzw. 104cm².

Den Deckel der Feuerbüchse lassen wir einmal außen vor. Er ist so durchsiebt von Löchern für die Rauchrohre, dass wir die Ausmaße vernachlässigen. Tatsächlich vernachlässigbar für die letztendliche Leistung des Kessels ist er natürlich nicht, immerhin ist der direkter Strahlungsempfänger des Feuers. Wir holen uns aber unseren Wert für die letztendliche Kesselkapazität aus einer Konstanten, dazu mehr unter Kesselkapazität.

Die Heizfläche des Kessels wird 809cm² betragen

Die Rostfläche RO

Der Vollständigkeit halbe sei noch die Rostfläche RO erwähnt. Sie ist jener Teil, auf dem der Brennstoff verfeuert wird. Bei dem geplanten Kessel ist die Rechnung denkbar einfach, es ist einfach die Innenfläche des inneren Rohrs – der Feuerbüchse. Mit π*r² berechnet man die Kreisfläche. Daraus ergibt sich die Rostfläche RO = π*(52/2)² Die Rostfläche beträgt 2124mm² bzw. 21,24cm². Wirklich brauchen kann man den Wert bei Modelldampfkesseln allerdings nicht, da das Verhältnis zwischen Rostfläche und Heizfläche nicht beliebig skalierbar ist.

Die Kesselbelastung

Die Kesselbelastung gibt an, wie viel Dampf der Kessel pro Minute jeweils neu produzieren kann. Im großen Vorbild hätte man hier auf die Rostfläche zurückgreifen müssen. Für Modellbaukessel hat sich eine vereinfachte Formel etabliert, die je nach Kesseltyp variiert. Der hier projektierte Rauchrohrkessel hat die Formel 2,5cm³ Dampf pro Minute je 100cm² Heizfläche. Die berechnete Heizfläche lag bei 809cm², woraus sich ergibt 2,5*8,09 = 20,225cm². Der Kessel produziert also ~20cm³ Dampf pro Minute. Das sind natürlich nur Näherungswerte und die tatsächliche Leistung ist maßgeblich von weiteren Faktoren wie z.B. der Kesselisolierung abhängig, der Wärmespeicherung des Feuerbüchsenmantels usw.

Das Volumen

Dem Außenkessel mit einer Länge von 300mm werden im unteren Breich 10mm für die Fixierung am Aschekasten genommen, sowie im oberen Bereich 25mm wo die Rauchkammer aufgesteckt wird. Daraus ergibt sich beim Innendurchmesser von ∅ 72mm ein Grundvolumen von
π * (72/2)² * (300-10-25) = ~1079000mm³
bzw. 1079cm³. Hiervon abgezogen werden müssen die 8 Rauchrohre mit ∅ 10mm mit
π * (10/2)² * 220 * 8 = ~138230mm³
bzw. -138cm³  sowie das mittlere Hauptzugrohr mit ∅ 22mm
π * (22/2)² * 220 = 83630mm³
bzw. -83,6cm³. Zudem muss noch die ∅ 54mm Feuerbüchse herausgerechnet werden. Das wären
π * (54/2)² * 60 = ~137413mm³
bzw. -137cm³.

Daraus ergibt sich ein Gesamtvolumen des Kessels von
1079-138-83,6-137 = 720,4cm³

was umgerechnet 0,72l bzw. ~720ml entspricht.

Zusammenfassung: Technische Daten

Typ

Rauchrohrkessel

Feuerung

Kohle

Abmessungen

∅ 76mm
H 300mm

Material

Kupfer

Heizfläche

800cm²

Rauchrohre

1 Hauptzugrohr 22mm
8 Nebenzugrohre 10mm

Volumen

720ml

Belastung

20cm²/min

Nenndruck

1-3bar

Rostfläche

20cm²

Quellen und Formelsammlung

Umfang

π * r²

Fläche

2r * π

Mantel

π * d * l

Belastung

2,5cm³/min * HF/100
nach K.N. Harris

Im nächsten Teil geht es dann mit detaillierteren Zeichnungen um die Teilefertigung, die zum Zeitpunkt der Veröffentlichung des vorliegenden Artikels hier bereits im Wesentlichen abgeschlossen ist.

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