TC-Draht mechanisch Dampfen – Grundlagen

nixTC, Temperaturkontrolle

In diesem Beitrag geht es um Grundlagen & Fragen zum mechanischen Dampfen mit „TC-Draht“, also einem Wicklungsdraht dessen elektrischer Widerstand (Ohm) steigt wenn sich seine Temperatur erh√∂ht.


Inhalt

Falls bei den Begriffen im Beitrag Fragezeichen √ľber'm Haupthaar aufpl√∂ppen:¬†Abk√ľrzungen & Begriffe

Vorwort

Ich gehe in diesem Beitrag davon aus das Du mit den Besonderheiten des mechanischen Dampfens vertraut bist, und auch Ohm, Watt & anderes Ged√∂ns keine Fremdw√∂rter f√ľr Dich sind. Falls doch, kannst Du Dich unter dem Schlagwort¬†Mechanisch Dampfen¬†einlesen, insbesondere die Grundlagen. Das Thema „TCR“ (Widerstand bei kaltem / warmen Draht) habe ich hier tiefer behandelt:¬†Drahtsorten-√úberblick: TCR, Ohm, …

Falsch gewickelt?

Eigentlich soll man das Pferd nicht von hinten aufz√§umen, doch beim Wickeln mit TC-Dr√§hten ist das ausnahmsweise der bessere Weg. „Von hinten aufgez√§umt“ bedeutet das man den Draht in der Planung an dem Punkt betrachtet wo er bereits warm ist, also dampft. Das ergibt Sinn, weil es uns schnuppe sein kann wieviel Widerstand der Draht kalt hat (Zimmertemperatur) – denn die Watt-Leistung soll ja schlie√ülich w√§hrend des Zugs passen, und nicht in der Aufheizphase des Drahtes…

Warum man mit Blick auf den Warmwiderstand wickeln muss schauen wir uns mal bei Titan an,¬†der seinen Widerstand recht stark √§ndert…

Nehmen wir an wir wollen bei halber Akkuentladung (ca. 3,7V) mit 15 Watt dampfen. Dazu br√§uchten wir einen Widerstand von 0,9 Ohm. Wenn man Titan nun mit 0,9 Ohm wickelt und dieser sp√§ter 240¬įC erreicht, dann steigt sein Widerstand wie folgt:
0.9 + 0.9 * 0.00366 * (240 - 20)= 1,62 Ohm warm
Und das w√§ren dann nur 8,5 Watt, also nur etwas mehr als die H√§lfte der 15 Watt die wir eigentlich wollen. Nun w√ľrde zwar auch der Draht weniger warm werden, somit w√ľrde der Widerstand nicht so stark steigen, somit w√ľrde die Leistung etwas h√∂her sein….. Geraten, vielleicht wird sich die Wicklung auf 160¬įC einpendeln, dann w√§re die Leistung:
0.9 + 0.9 * 0.00366 * (160 - 20)= 1,36 Ohm = 10,1 Watt
Der Effekt der „Selbstheilung“ durch den TCR-Effekt wird jedoch bei weitem nicht ausreichen das sich ein falsch gew√§hlter Widerstandswert, oder eine falsch dimensionierte Wicklung „von selbst“ korrigieren oder regeln k√∂nnte.

Deshalb muss man „vom Warmwiderstand her denken“ wenn man TC-Dr√§hte mechanisch dampfen m√∂chte.

Doch auch beim Wickeln auf den Warmwiderstand muss man es mit der passenden Oberfl√§che halbwegs genau treffen. Warum? Die D√§mpfung der Leistung durch zu hohe Temperatur w√ľrde ebenfalls nie ausreichen um eine falsch dimensionierte Wicklung vor √úberhitzung zu sch√ľtzen. Schauen wir wie sich die Leistung zur ansteigenden Temperatur reduziert:

Ausgehend von 240¬įC – da nehmen wir jetzt einfach mal an das es dort angenehm dampfen w√ľrde, wenn wir richtig gewickelt h√§tten:
0.5 + 0.5 * 0.00366 * (240 - 20)= 0,90 Ohm warm
= 15,2 Watt

Nun nehmen wir an das wir nicht richtig gewickelt hätten (zuwenig Oberfläche zB), und die Wicklung zu heiß wird. Der Widerstand steigt mit der Temperatur, und die Leistung reduziert sich:

260¬įC:
0.5 + 0.5 * 0.00366 * (260 - 20)= 0,94 Ohm warm
= 14,6 Watt = -0,6 Watt

280¬įC:
0.5 + 0.5 * 0.00366 * (280 - 20)= 0,98 Ohm warm
= 14,0 Watt = -1,2 Watt

300¬įC:
0.5 + 0.5 * 0.00366 * (300 - 20)= 1,01 Ohm warm
= 13,6 Watt = -1,6 Watt

Wie man ahnt – wenn die Wicklung, aus welchen Gr√ľnden auch immer, zu hei√ü wird, hilft einem die „automatische Leistungsbremse“ durch die Widerstandserh√∂hung nicht aus der Patsche. Der Effekt ist so gering das er zu vernachl√§ssigen ist. Und dies ist Titan – mit Edelstahl s√§he es noch viiiiel magerer aus.

Obendrauf gibt es noch ein kleines Logikproblem:¬†Die 13,6 Watt w√ľrden √ľberhaupt nur dann eintreten wenn die Wicklung tats√§chlich 300¬įC erreicht. WENN 300¬įC, NUR dann gibt es 13,6 Watt.

Also: Leistungsreduktion gibt es √ľberhaupt nur dann wenn die Wicklung bereits √ľberhitzt IST. Und WENN sie √ľberhitzt, dann tut sie das ganz offensichtlich (und zwangsl√§ufig) inklusive der vorhandenen (mickrigen) Leistungsreduktion.

Guckst du:¬†Vaping-Tools. ūüôā

 

Letztendlich wird das System immer in ein Gleichgewicht aus Leistungszufuhr und Wärmeabgabe gehen. Und wenn in diesem Gleichgewicht die Temperatur zu hoch ist, dann ist sie eben zu hoch, Punkt. Und diesem Gleichgewicht ist es auch ganz egal was vor dem Eintritt des Gleichgewichts durch die TCR-Eigenschaft eines Drahtes geschehen ist (Boost-Effekt, das kommt gleich noch).

Man muss also auch beim Wickeln auf den Warmwiderstand die Dimension der Wicklung (Gr√∂√üe der Oberfl√§che) halbwegs genau treffen, passend zur Leistung die beim Warmwiderstand entsteht. Ein „TC-Light“, bzw eine sp√§tere automatische Korrektur gibt es nicht.

Randbemerkung 1

F√ľr eine „rein mechanische TC-Regelung“ br√§uchte man ein Drahtmaterial das keinen linearen (bzw leicht kurvigen) Verlauf der Widerstands√§nderung besitzt. Stattdessen m√ľsste dieses Material, wichtig, bei einer Temperatur X (zb 240¬įC), sehr abrupt und sehr drastisch seinen Widerstand erh√∂hen. Es m√ľsste ganz pl√∂tzlich eine „Widerstandswand“ auftauchen, welche die Leistung seeehr stark abdreht…
Mechanisches Dampfen mit Bi-Metall-Schaltern – ich sehe es schon kommen. ūüėÄ D√ľrfte vermutlich am Abbrand der Kontaktpunkte scheitern… Oder mit einem PTC-Widerstand. Beides d√ľrfte aber vermutlich zu tr√§ge sein, so dass es wahrscheinlich besser ist auf ein Wunder in der Draht-Materialforschung zu hoffen, ūüôā dort wo die Temperatur direkt anliegt.

Randbemerkung 2

Einen TC-„Regeleffekt“ nach dem Erreichen des Gleichgewichtes aus Leistung und W√§rmeabgabe wird es dann geben wenn man mit unterschiedlich starkem Zug zieht, also den k√ľhlenden Luftstrom √§ndert. Der Effekt wird aber sehr schwach sein – vielleicht kann er das unterschiedliche Zugverhalten mehr oder minder d√§mpfen – aber auf keinen Fall vollst√§ndig kompensieren.
Streng genommen arbeitet der Akku auch noch ein bisschen gegen den „TC-Effekt“. Wenn ich nun schw√§cher ziehen w√ľrde = mehr Hitze = mehr Widerstand = weniger Leistung. Aber der Akku sagt nun: Weniger Leistung = weniger Spannungseinbruch unter Last = h√∂here Leistung. Und somit ein winziges Gegenpendel zum sehr kleinen TC-Effekt. F√ľr die Praxis ist das alles wumpe.

TC-Regelung light, per Akkuspannung?

Im Verlauf der Akku-Entladung hingegen gibt es einen leichten „TC-Effekt“.

Angenommen wir haben so gewickelt das bei 3,7V eine Temperatur von 200¬įC entsteht. Bei vollem Akku entsteht eine deutlich h√∂here Leistung, also auch mehr Temperatur, wodurch der Widerstand steigt, also weniger Leistung, also weniger Temperatur, also weniger Widerstand, also mehr Leistung, also mehr Temperatur, also mehr Widerstand, also…

Waaaahhhhh!!! Hier kann man im Irrenhaus landen, weil sich die Parameter direkt wechselseitig „bek√§mpfen“. Das Ganze wird sich immer auf denjenigen Punkt einpendeln wo Leistungszufuhr und W√§rmeabgabe im Einklang sind. Es auszurechnen ist quasi unm√∂glich, vor allem m√ľsste man dazu erstmal den Temperaturverlust pro Volt kennen, der dann noch nicht mal linear sein wird, also was f√ľr Thermodynamiker mit au√üergew√∂hnlicher Mathebegabung – ich glaube ich habe pl√∂tzlich eine ganz unmathematische Wurzelentz√ľndung und muss dringend wech, zum Zahnarzt, juchhu!!!
Ich habe ein bisschen rumgerechnet, und komme bei einem angenommenen Temperaturverlust von 60¬įC pro Volt auf 18% weniger Watt-Range (0,9 ő©warm, TCR 0,00366) im Entladungsverlauf von 4 bis 3 Volt. Hei√üt, wenn ich auf eine mittlere Akkuspannung wickle, dann h√§tte ich bei vollem Akku 9% weniger Leistung als bei einem nicht-TC-Draht, und bei leerem Akku 9% mehr Leistung.

Schau in die¬†Dampfer-Tools. ūüôā

Preheat!

TC-Steuerung f√ľr lau f√§llt also ziemlich flach, quasi im Sinne des Wortes.

Was man jedoch mit TC-Draht bekommt ist ein Preheat (Akkutr√§ger ABC –> Preheat), und der kann tats√§chlich √§u√üerst signifikant sein, je nach Drahtmaterial. Das liegt daran das die Differenz des Widerstands von ganz kalter zu warmer Wicklung sehr gro√ü ist. Die¬†Aufheizphase ist der Zeitraum bevor das System ins Gleichgewicht von Leistungszufuhr und W√§rmeabgabe geht – und wo sich am Widerstand am meisten etwas √§ndern kann, je nach TCR (und Grundwiderstand des Materials).
Dampfen wird es irgendwo bei 180 bis 260¬į, und das bedeutet 160 bis 240¬įC Differenz zur Raumtemperatur, und somit auch viel Raum f√ľr eine signifikante Widerstands√§nderung, und somit einen sp√ľrbaren Leistungsunterschied.

Der „mechanische TCR-Preheat“ hat Vorteile gegen√ľber elektronisch gesteuerten – er ist von Haus aus „smart“. Egal wieviel Zeit zwischen den Z√ľgen vergeht – er „regelt“ immer passend. Falls man dauernuckelt k√ľhlt die Wicklung nicht so stark ab – dann ist auch der Preheat geringer. Und wenn nach einer l√§ngeren Pause die Wicklung richtig kalt geworden ist, dann gibt es auch am meisten Startleistung.
Zu allem √úberfluss kann der „mechanische TC-Preheat“ nicht √ľbersteuern – da er IMMER endet wenn das System die „Zieltemperatur“ erreicht hat¬†– automatisch, dank Physik, supaaaa! ūüôā Da sind elektronische Preheats d√ľmmer, meist deutlich…

Betrachten wir mal den Effekt des „mechanischen TC-Preheat“ f√ľr Titan und Edelstahl, jeweils bei 240¬įC in der Zugphase, einem Warmwiderstand von 0,9 Ohm, und 3,7 Volt:

Titan:
0.9/(1+0.00366*(240-20)) = 0,5 Ohm Kaltwiderstand
Der Draht startet mit 27,4 Watt, um dann bei 15,2 Watt in der Zugphase zu landen.
Preheat:¬†+80%, holla, da geht was…

SS304:
0.9/(1+0.00102*(240-20)) = 0,74 Ohm Kaltwiderstand
Der Draht startet mit 18,5 Watt um dann bei 15,2 Watt in der Zugphase zu landen.
Preheat: +22%, besser wie nix.

SS316/L:
0.9/(1+0.00088*(240-20)) = 0,75 Ohm Kaltwiderstand
Der Draht startet mit 18,3 Watt um dann bei 15,2 Watt in der Zugphase zu landen.
Preheat:¬†+20%, womit man in der Praxis keinen Unterschied zu SS304 sp√ľren wird.

Wie man sieht, mit Titan gibt’s beim Ampelstart richtig Feuer unterm Hintern, was seine Aufheizphase signifikant verk√ľrzt. Zu allem √úberfluss hat Titan auch noch eine deutlich geringere Dichte. Er ist somit leichter und hat einen um 42% niedrigeren W√§rmespeicherwert (heat capacity / HC), was ihm noch mal zus√§tzliches Tempo verleiht.¬†Aufs Auto √ľbertragen: Leichtbau, plus 80% mehr Motorleistung…

Watt denn nu wickeln?

Ohm erzeugt keinen Dampf, sondern die Oberfl√§che des Drahtes. F√ľr die Praxis muss man daher die Oberfl√§che im Blick behalten und eine Kombination aus Oberfl√§che und (Warm-)Widerstand finden, damit sp√§ter die passende Watt-Leistung auf der vorhandenen Oberfl√§che erzeugt wird. Ganz grob, pro 10 Watt Leistung sollten so etwa 50mm2 Oberfl√§che zur Verf√ľgung stehen, damit die Wicklung gut dampft.
Es ist aber wirklich sehr individuell, und nach meiner Erfahrung / meinem Geschmack auch nicht linear nach oben hin, und bei d√ľnndrahtigen Twisted-Wicklungen von vornherein anders. Schaut man sich bei denen den „heat flux“-Wert in Steam Engine an, so d√ľrften sch√∂n dampfende D√ľnndraht-Twisted-Wicklungen in der Theorie fast gar nicht dampfen, so niedrig ist der „heat flux“ bei denen. In der Praxis kommt man dort aber mit teils deutlich weniger Leistung im Verh√§ltnis zur Oberfl√§che aus, nach meinem Eindruck besonders je mehr Einzeldr√§hte beteiligt sind.

Brauchst du: Dampfer Tools

Man wickelt in der Regel so das man erstmal eine bestimmte Leistung (Watt) anpeilt. Denn die Leistung bestimmt den Verbrauch, und, bei passendem Luftzug, auch die optische Dampfmenge.
Beim mechanischen MTL-Dampfen bietet es sich an das noch mindestens ca. 10 Watt bei leerem Akku zur Verf√ľgung stehen, zumindest wenn man die gesamte Akku-Kapazit√§t gern ausnutzen m√∂chte.
10 Watt f√ľr MTL? Reichen da nicht 8??? Ja, locker, eigentlich. Mit der passenden Wicklung. Aber wenn wir mechanisch dampfen dann m√ľssen auch die „zuviel Watt“ die bei vollem Akku vorhanden sind irgendwo untergebracht werden – deshalb wird die Wicklung mehr Oberfl√§che bekommen m√ľssen als f√ľr MTL eigentlich n√∂tig w√§re. Es wird grenzwertig soviel Oberfl√§che bei 8 Watt zum (sch√∂nen) Dampfen zu √ľberreden. Da hilft „ein bisschen mehr von allem“.

Um eine bestimmte Leistung zu bekommen muss man erstmal wissen wie der Widerstand eines TC-Drahtes sich ver√§ndern wird, wenn er warm ist. Denn in der Zugphase ist er logischerweise warm, und genau dann soll die Leistung ja passen – es ergibt bei Lichte betrachtet Sinn. ūüėČ

Man k√∂nnte nun von einem Kaltwiderstand (Zimmertemperatur) auf den Warmwiderstand (Dampftemperatur) hochrechnen und sich per trial & error zum gew√ľnschten Warmwiderstand hintasten. Eleganter ist es allerdings wenn man nur einmal rechnen muss, also „r√ľckw√§rts“ vom gew√ľnschten Warmwiderstand her den ben√∂tigten Kaltwiderstand berechnet und damit dann gleich wei√ü wieviel Ohm man wickeln muss. Die Formel dazu habe ich im Formelbeitrag erkl√§rt:
Wieviel Ohm muss ich wickeln wenn die Wicklung bei Dampftemperatur X Ohm erreichen soll?

Beispiele – die folgenden Wicklungen sollen warm 0,5 Ohm haben:

SS304: 0.5/(1+0.00102*(240-20)) = 0,41 Ohm wickeln
SS316/L: 0.5/(1+0.00088*(240-20)) = 0,42 Ohm wickeln
Titan, Grade 1: 0.5/(1+0.00366*(240-20)) = 0,28 Ohm wickeln

Die folgenden Wicklungen sollen warm 1,3 Ohm haben:

SS304: 1.3/(1+0.00102*(240-20)) = 1,06 Ohm wickeln
SS316/L: 1.3/(1+0.00088*(240-20)) = 1,09 Ohm wickeln
Titan, Grade 1: 1.3/(1+0.00366*(240-20)) = 0,72 Ohm wickeln

Randnotiz:
Die 240¬įC in der Rechnung sind ein N√§herungswert – wie warm die Wicklung tats√§chlich werden wird wei√ü man nicht exakt, da dies wiederum von Oberfl√§che und St√§rke der Luftstr√∂mung abh√§ngt. Nehmen wir mal an sie erreicht stattdessen 200¬įC, anhand des ersten Beispielblocks:

SS304: 0.5/(1+0.00102*(200-20)) = 0,42 Ohm wickeln
SS316/L: 0.5/(1+0.00088*(200-20)) = 0,43 Ohm wickeln
Titan, Grade 1: 0.5/(1+0.00366*(200-20)) = 0,30 Ohm wickeln

Wie man sieht sind die Unterschiede marginal. Auf 0,01 bzw 0,02 Ohm genau zu wickeln wird man eh kaum hinbekommen. Ob man nun mit 200 oder 240¬įC rechnet ist daher auch nicht sooo entscheidend. Es reicht den Bereich „warm“ halbwegs zu treffen, vom Warmwiderstand her zu planen, und eine Harmonie aus dessen Leistung, Oberfl√§che & Luftzug zu finden.
Der Luftzug wird erstmal schon vom Verdampfer bestimmt / begrenzt (MTL / DTL) und so ist man im wesentlichen damit beschäftigt eine passende Oberfläche zu finden. Twisted-Wicklungen sind sehr flexibel wenn es darum geht die Oberfläche zu verändern, ohne den Widerstand (und in Folge die Leistung) signifikant zu ändern, siehe Twisted-Anleitung.

Fazit

Rechnen ist gut und sch√∂n, aber die Realit√§t kann (etwas) anders aussehen. Wenn zB der verwendete Draht nicht genau der Spezifikation entspricht, zB weil er eine leicht andere Materialzusammensetzung hat, so hat man einen leicht anderen Widerstand und TCR. Oder wenn der Drahtdurchmesser nicht ganz stimmt, hat man ebenfalls einen anderen Widerstand. Oder wenn der Durchmesser der Wickelhilfe nicht ganz stimmt…

Mit den Vorberechnungen kann man durchaus eine Punktlandung hinlegen, aber es kann auch sein das man noch mal um eine Windung mehr/weniger korrigieren muss. Verdampfer verhalten sich unterschiedlich, Akku-Typen verhalten sich unterschiedlich, Wicklungsarten verhalten sich unterschiedlich. Also nicht wundern wenn die berechnete Theorie nicht im ersten Anlauf perfekt funktioniert. Dennoch: Das Rechnen / Planen beschleunigt das „Stochern im Nebel“ (ich erhalte 5 Wortspiel-Punkte extra) zu einer guten Wicklung erheblich.

Anerkennung

Wenn ich dir mit diesem Beitrag helfen konnte, w√ľrde ich mich √ľber eine kleine Anerkennung¬†freuen. Ich w√ľrde dann sogar mit den Armen rudern – und ich rudere nicht leichtfertig mit den Armen! ūüėČ

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