Material Kupfer bei Modelldampfkessel

  • Material Kupfer bei Modelldampfkessel


    Hallo,

    Ich bin grade dabei die Dampfkessel für meine Württembergische T3 auf 7.25 Zoll zu entwerfen und zu zeichnen.
    Ich nutze dafür eine Fem-Analyse Programm, womit man die Spannungen und Deformationen von der Kessel kann berechnen und simulieren.
    Bin schön einige zeit damit beschäftigt und habe dafür auch eine Ausbildung bekommen.

    Aber jetzt brauche ich eigentlich die Korrekte materialstarke von Kupfer bei 160 grad Celsius (6 bar Dampfdruck)
    Im Internet habe ich bereits eine zahl von 3800 Lbs/sq inch = 29 N/mm2 gefunden (normale starke von Kupfer ist 258 N/mm2)
    Eine Sicherheits-Faktor 8 bis 10 ist bereits in diese zahl berücksichtigt.

    Kann jemanden mir diese materialstarke von 29N/mm2 bestätigen? Oder darf es auch mehr sein?

    Vielen dank,

    Erik-Jan

  • Hallo Eric-Jan

    Beim gelöteten Kupferkessel ist meiner Meinung weniger die Festigkeit des Materials, als die konstruktive Auslegung entscheidend.
    Beim Kupfer gibt es nämlich, im Gegensatz zum Stahl, keine Auswahl.
    SF - Kupfer ist das einzige zugelassene Material. E - Kupfer ist nicht zugelassen.

    Besondere Vorsicht ist beim Löten angebracht: Keine Atzetylen Flamme verwenden! Die heute gebräuchlichen cadmiumfreien Lote sind durch ihren hohen Silbergehalt viel empfindlicher gegen Kohlenstoffschädigung als früher. Nur noch mit Propangas-Sauerstoff löten, da ist das Risiko deutlich kleiner.

    Willst du einen Nassdampfkessel bauen? Auf der kleinen Zeichnung kann ich keine Rauchrohre für den Überhitzer erkennen.

    Bei der Konstruktion der Deckenanker solltest du vielleicht auch einmal die Alternative mit Stehbolzen durchrechnen. Die sind konstruktiv einfacher und die Last auf die Lotnaht ist günstiger.

    mfg

    Thomas

  • Hallo,

    ich hatte beruflich mit Festigkeitsberechnungen zu tun. Ich wäre als Leie vorsichtig. Es ist nicht nur einfach ein Kräfteantragen. Man muss wissen was man tut. Dann ist es wichtig ob der Kessel als Teil oder als Baugruppe gerechnet wurde. Die Verstrebungen sind nicht komplett fest. Sie sind nur an den Lötnähten befestigt.

    Schöne Grüße
    Andreas

  • Also ich würde mal glatt behaupten, daß die Festigkeit sowieso ausreicht, wenn man die Struktur so macht wie im Original, da die Wandstärken im Modell ja i.d.R. deutlich größer sind und der Druck auch noch deutlich geringer.
    Außerdem würde ich die Einschnitte in der freistehenden Rippe unten weglassen, wenn sie nicht unbedingt zum Löten gebraucht werden. Da setzt sich höchstens Kalk ab, Wasser strömt da sowieso kaum durch. Es sei denn, sie sollen die Ausbreitung eines Lötnahtrisses verhindern...

    Wie heist jemanndt mitt ein Stöckchen in Popöchen? "Darm-Pflock-Führer"!

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    Niederstrasser, "Leitfaden für den Dampflokomotivdienst" - Download
    Garbe, "Die zeitgemässe Heissdampflokomotive" - Download
    "Theoretisches Lehrbuch des Lokomotivbaues" - Download

  • Vielen dank für die Informationen.
    Meine Kessel ist natürlich nicht ein ganz neuer Entwurf, aber basisiert auf bestehende entwürfen aus der Modellbau. Ich habe verschiedene Bücher über Modell Dampfkessel und Zeichnungen bestudiert und mich (fast) an die Vorschriften gehalten.

    Dass Solidworks Programm funktioniert ganz gut; wenn man weis was man eingibt und ein korrektes 3D Modell erstellt und dass dann richtig in die FEM Module einsetzt.
    Um Referenz werte zu bekommen habe ich die Kessel von meine 5 Zoll Lokomotive auch modelliert und durch gerechnet. Diese Kessel ist geprüft und schon seit fünf jähre im Einsatz.
    (Dort finde ich Maximumspannungen von 35 N/mm2)

    Die Einschnitte in der freistehenden Rippe werden durch die Holländische Kessel Inspektor denke ich nicht akzeptiert (so steht es in dass Richtlinienhandbuch), aber ich glaube dass grade diese Einschnitte eine bessere Wasserzirkulation über die Oberkante des Feuerbuchs
    geben wird. Auch gibt es aus diese weise eine bessere Garantie dass die Lötverbindung gut ist. In Englische Bücher finde ich diese Einschnitte in verschiedenere Entwürfen zurück.

    Dass man keine Atzetylen Flamme verwenden darf ist mir nicht bekannt, und möchte gerne mehr dar über wissen. (Ein Modellbaukollegen hat grade seine Kessel damit fertig gestellt und die Prüfung überstanden).

    Der Kessel ist als Nassdampfkessel ausgelegt. Meine 5 Zoll Lok. Fahrt mit eine Überhitzer, aber ich kriege die Rauchrohre für den Überhitzer nie gut sauber.
    In meine 3.5 Zoll Lok. war jähre lang ein Überhitzer eingebaut, wenn die dann letztendlich verschließen war, hab ich die ausgebaut und fahre jetzt ohne. Und ich merke kaum ein unterschied im Fahrverhalten, Kohle oder Wasser verbrauch.

    Mit freundliche Grüsse

    Erik-Jan

    • Offizieller Beitrag

    Moin zusammen,

    ich denke mal wenn alle Hobbykesselbauer sich so intensiv mit ihrem Kessel beschäftigen würden wie Erik - Jan bräuchte man sich wenig um die Haltbarkeit eines solchen zu sorgen....

    " die Einschnitte in der freistehenden Rippe unten weglassen "

    Wenn es nur um die freie Wasserströmung geht kann man auch gut ein paar Löcher in die Deckenankerplatte bohren.

    Die Anwendung von Propan und Sauerstoff ist sicherlich nur als Empfehlung zu verstehen um den Kohlenstoffeintrag in die Lötstelle möglichst gering zu halten, Vorschrift ist das meines Wissens nicht.

    Bei uns ist - nach Aussage des TÜV - Mannes der meinen Kessel abgenommen hat - Löten von SF - Cu nur bis 3 mm Materialstärke zulässig, darüber muss WIG / TIG geschweisst werden.

    Falls Du Stehbolzenmaterial benötigst: ich habe noch 8 mm Monel ( CuNi Legierung ) rund zu liegen.

    Gruss
    Hinrich

    Wie soll ich wissen was ich denke bevor ich höre was ich sage ?(

  • Zitat

    Dass Solidworks Programm funktioniert ganz gut; wenn man weis was man eingibt und ein korrektes 3D Modell erstellt und dass dann richtig in die FEM Module einsetzt.

    Ich kenne SW. Habe mit den Versionen ab 2005 bis 2010 arbeiten dürfen. Trotzdem, eine falsche Annahme bei der Kraft und alles ist hinfällig. man muss wissen was man tut. Ein Besipiel. Mein ehemaliger Chef wollte wissen, ob die Spindel die Kräfte hält. Er setzte alle Kräfte an und rechnete. Dabei vergaß er, dass der Kunde eine hohe Beschleunigung von 2m/s² forderte. Bei einem Schlitten von mehreren Tonnen macht das viel aus. Als ich ihn darauf hinwies, war dann alles rot.

    Bei SW gibt es Unterschiede, ob als Baugruppe oder Teil gerechnet wird. Als Teil sind die Streben komplett mit dem Kessel verbunden, obwohl in Wahrheit nur an den Schweiß- oder Lötnähten. Man muss diese nachbilden und Luft zwischen den Teilen lassen.

    Schöne Grüße
    Andreas

  • Hallo,

    ich kenn mmich mit löten nicht aus. Wie ist es mit der Festigkeit wenn das Lot komplett reingelaufen ist? Man nimmt doch teilweise säurehaltige Flussmittel, frisst die Säure das Zinn nicht auf? Ich kann nur Aussagen zum Schweißen treffen. Da sollte die Naht fester sein, als die Umgebung. Und wenn alles noch spannungsarm geglüht wurde ist es bestens.

    Ich war damals mit beteiligt ein neues maschinelles Lötverfahren für Leiterfolien zu entwickeln. Da ging es darum, dass das bleifreie Zinn erst sehr spät schmilzt, aber die Halbleiter keinen höheren Temperaturen vertragen. Aber das hatte nur soviel mit Festigkeit zu tun, dass die Bauteile nicht runterfallen durften.

    Ich wollte nur eins sagen, ich habe auch die FEM genutzt um meine Arbeit zu kontrollieren. Aber wenn es um Teile ging, die nie kaputt gehen dürfen und wenn es teuer werden könnte, haben wir es immer nachrechnen lassen. Es gibt Firmen die haben sich darauf spezialisiert und kennen die Fallstricke.

    Schöne Grüße
    Andreas

  • Hallo Andreas,

    Dampfkessel aus Kupfer müssen hartgelötet werden. Wenn man alles richtig macht geht das Hartlot mit dem Werkstoff eine Legierung ein und ist dann stabiler als der ursprüngliche Werkstoff.

    Unsere Azubis müssen im ersten Lehrjahr eine Lötübung machen. Dazu wird ein 12er Messingvierkantstab auf eine Messingplatte hartgelötet und anschließend mit Hilfe eines Windeisens verdreht. Mann schafft so drei, vier Umdrehungen bis sich das Messing so verdichtet das es abreißt. Wohl gemerkt der Vierkantstab, nicht die Lötnaht! Soviel zu Festigkeit von korrekt ausgeführten Hartlötungen.

    Gruß,

    chris69

  • Hallo Jan,
    den Kessel für die T3 in Kupfer zu bauen ist eine gute Lösung. Wichtig ist nur überall für die Lötnähte eine Fläche (Überlappung) vorzusehen. Das erfordert einiges an Bördelarbeiten.
    Nach diesen Arbeiten beim Zusammenbau und zum fixieren der Teile mit Kupferschrauben arbeiten. Direkt durch die zu verbindenden Teile eine Gewinde schneiden und dann die Stiftschraube einschrauben. Die Teile auch direkt vor dem Zusammenbau mit Lötpaste einpnseln, sonst hast Du Stellen wo Du nicht mehr dran kommst. Silberlotpaste verhält sich anders wie Lötfett beim Weichlot. Wenn Du die Möglichkeit hast, nehme 3mm Wandstärke für die Kupferteile. Sollte der Lötspalt nicht ausreichend sein, mit einem Körner Punkte setzen und die Teile liegen optimal zusammen. Wenn Du Dich an den Plan hälst hast Du auch keine Problem mit der Kesselstabiltät.
    Grüße
    Wolfgang

    † 2017

  • Eric Jan
    Der Britische Author mit dem Pseudonym 'Tubal Cain' (T.T. Walshaw) sagt im seinem Buch
    Model Engineers Handbook 3rd ed
    2003 ISBN 1-85486-134-4
    auf Seite 10.2 etwas aus zur Ultimate Tensile Strength von Cu bei den Temperaturen eines Kessel im Betrieb.
    Diese muß mit einem Sicherheitsfaktor multipliziert werden. Die Belastung am Arbeitspunkt des Kessels soll 30% der UTS nicht überschreiten.
    Bei der Temperatur eines Kessels mit 8.3 bar (120 psi, 350 F) wird ein
    'working stress for annealed copper' von 34.5 N/sq mm angegeben.
    Damit kann dann die theoretisch notwendige Wanddicke des Kessels berechnet werden.
    Ich scanne Dir die beiden Seiten ein und schicke sie Dir.
    Das Buch ist eine lohnende Investition.

    Es gibt tatsächlich auch noch einen Amerikanischen Modellbauer, der das Pseudonym 'Tubal Cain' benutzt ... Also nicht verwechseln. Der Tubal Cain in YouTube ist der Ami.

    Tubal Cain war der erste Werkzeugmacher, denn:
    Zillah also had a son, Tubal-Cain, who forged all kinds of tools out of bronze and iron.
    Genesis 4:22