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 erhöht.


Inhalt

Falls bei den Begriffen im Beitrag Fragezeichen über'm Haupthaar aufplöppen: Abkürzungen & Begriffe

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Vorwort

Ich gehe in diesem Beitrag davon aus das Du mit den Besonderheiten des mechanischen Dampfens vertraut bist, und auch Ohm, Watt & anderes Gedöns keine Fremdwörter für 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-Überblick: TCR, Ohm, …

Falsch gewickelt?

Eigentlich soll man das Pferd nicht von hinten aufzäumen, doch beim Wickeln mit TC-Drähten ist das ausnahmsweise der bessere Weg. „Von hinten aufgezäumt“ 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 schließlich während 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 ändert…

Nehmen wir an wir wollen bei halber Akkuentladung (ca. 3,7V) mit 15 Watt dampfen. Dazu bräuchten wir einen Widerstand von 0,9 Ohm. Wenn man Titan nun mit 0,9 Ohm wickelt und dieser später 240°C erreicht, dann steigt sein Widerstand wie folgt:
0.9 + 0.9 * 0.00366 * (240 - 20)= 1,62 Ohm warm
Und das wären dann nur 8,5 Watt, also nur etwas mehr als die Hälfte der 15 Watt die wir eigentlich wollen. Nun würde zwar auch der Draht weniger warm werden, somit würde der Widerstand nicht so stark steigen, somit würde die Leistung etwas höher sein….. Geraten, vielleicht wird sich die Wicklung auf 160°C einpendeln, dann wäre 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 gewählter Widerstandswert, oder eine falsch dimensionierte Wicklung „von selbst“ korrigieren oder regeln könnte.

Deshalb muss man „vom Warmwiderstand her denken“ wenn man TC-Drähte mechanisch dampfen möchte.

Doch auch beim Wickeln auf den Warmwiderstand muss man es mit der passenden Oberfläche halbwegs genau treffen. Warum? Die Dämpfung der Leistung durch zu hohe Temperatur würde ebenfalls nie ausreichen um eine falsch dimensionierte Wicklung vor Überhitzung zu schützen. Schauen wir wie sich die Leistung zur ansteigenden Temperatur reduziert:

Ausgehend von 240°C – da nehmen wir jetzt einfach mal an das es dort angenehm dampfen würde, wenn wir richtig gewickelt hätten:
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°C:
0.5 + 0.5 * 0.00366 * (260 - 20)= 0,94 Ohm warm
= 14,6 Watt = -0,6 Watt

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

300°C:
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 Gründen auch immer, zu heiß wird, hilft einem die „automatische Leistungsbremse“ durch die Widerstandserhöhung nicht aus der Patsche. Der Effekt ist so gering das er zu vernachlässigen ist. Und dies ist Titan – mit Edelstahl sähe es noch viiiiel magerer aus.

Obendrauf gibt es noch ein kleines Logikproblem: Die 13,6 Watt würden überhaupt nur dann eintreten wenn die Wicklung tatsächlich 300°C erreicht. WENN 300°C, NUR dann gibt es 13,6 Watt.

Also: Leistungsreduktion gibt es überhaupt nur dann wenn die Wicklung bereits überhitzt IST. Und WENN sie überhitzt, dann tut sie das ganz offensichtlich (und zwangsläufig) inklusive der vorhandenen (mickrigen) Leistungsreduktion.

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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 (Größe der Oberfläche) halbwegs genau treffen, passend zur Leistung die beim Warmwiderstand entsteht. Ein „TC-Light“, bzw eine spätere automatische Korrektur gibt es nicht.

Randbemerkung 1

Für eine „rein mechanische TC-Regelung“ bräuchte man ein Drahtmaterial das keinen linearen (bzw leicht kurvigen) Verlauf der Widerstandsänderung besitzt. Stattdessen müsste dieses Material, wichtig, bei einer Temperatur X (zb 240°C), sehr abrupt und sehr drastisch seinen Widerstand erhöhen. Es müsste ganz plötzlich eine „Widerstandswand“ auftauchen, welche die Leistung seeehr stark abdreht…
Mechanisches Dampfen mit Bi-Metall-Schaltern – ich sehe es schon kommen. 😀 Dürfte vermutlich am Abbrand der Kontaktpunkte scheitern… Oder mit einem PTC-Widerstand. Beides dürfte aber vermutlich zu träge sein, so dass es wahrscheinlich besser ist auf ein Wunder in der Draht-Materialforschung zu hoffen, 🙂 dort wo die Temperatur direkt anliegt.

Randbemerkung 2

Einen TC-„Regeleffekt“ nach dem Erreichen des Gleichgewichtes aus Leistung und Wärmeabgabe wird es dann geben wenn man mit unterschiedlich starkem Zug zieht, also den kühlenden Luftstrom ändert. Der Effekt wird aber sehr schwach sein – vielleicht kann er das unterschiedliche Zugverhalten mehr oder minder dämpfen – aber auf keinen Fall vollständig kompensieren.
Streng genommen arbeitet der Akku auch noch ein bisschen gegen den „TC-Effekt“. Wenn ich nun schwächer ziehen würde = mehr Hitze = mehr Widerstand = weniger Leistung. Aber der Akku sagt nun: Weniger Leistung = weniger Spannungseinbruch unter Last = höhere Leistung. Und somit ein winziges Gegenpendel zum sehr kleinen TC-Effekt. Für 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°C entsteht. Bei vollem Akku entsteht eine deutlich höhere 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 „bekämpfen“. Das Ganze wird sich immer auf denjenigen Punkt einpendeln wo Leistungszufuhr und Wärmeabgabe im Einklang sind. Es auszurechnen ist quasi unmöglich, vor allem müsste man dazu erstmal den Temperaturverlust pro Volt kennen, der dann noch nicht mal linear sein wird, also was für Thermodynamiker mit außergewöhnlicher Mathebegabung – ich glaube ich habe plötzlich eine ganz unmathematische Wurzelentzündung und muss dringend wech, zum Zahnarzt, juchhu!!!
Ich habe ein bisschen rumgerechnet, und komme bei einem angenommenen Temperaturverlust von 60°C pro Volt auf 18% weniger Watt-Range (0,9 Ωwarm, TCR 0,00366) im Entladungsverlauf von 4 bis 3 Volt. Heißt, wenn ich auf eine mittlere Akkuspannung wickle, dann hätte ich bei vollem Akku 9% weniger Leistung als bei einem nicht-TC-Draht, und bei leerem Akku 9% mehr Leistung.

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Preheat!

TC-Steuerung für lau fällt also ziemlich flach, quasi im Sinne des Wortes.

Was man jedoch mit TC-Draht bekommt ist ein Preheat (Akkuträger ABC –> Preheat), und der kann tatsächlich äußerst signifikant sein, je nach Drahtmaterial. Das liegt daran das die Differenz des Widerstands von ganz kalter zu warmer Wicklung sehr groß ist. Die Aufheizphase ist der Zeitraum bevor das System ins Gleichgewicht von Leistungszufuhr und Wärmeabgabe geht – und wo sich am Widerstand am meisten etwas ändern kann, je nach TCR (und Grundwiderstand des Materials).
Dampfen wird es irgendwo bei 180 bis 260°, und das bedeutet 160 bis 240°C Differenz zur Raumtemperatur, und somit auch viel Raum für eine signifikante Widerstandsänderung, und somit einen spürbaren Leistungsunterschied.

Der „mechanische TCR-Preheat“ hat Vorteile gegenüber elektronisch gesteuerten – er ist von Haus aus „smart“. Egal wieviel Zeit zwischen den Zügen vergeht – er „regelt“ immer passend. Falls man dauernuckelt kühlt die Wicklung nicht so stark ab – dann ist auch der Preheat geringer. Und wenn nach einer längeren Pause die Wicklung richtig kalt geworden ist, dann gibt es auch am meisten Startleistung.
Zu allem Überfluss kann der „mechanische TC-Preheat“ nicht übersteuern – da er IMMER endet wenn das System die „Zieltemperatur“ erreicht hat – automatisch, dank Physik, supaaaa! 🙂 Da sind elektronische Preheats dümmer, meist deutlich…

Betrachten wir mal den Effekt des „mechanischen TC-Preheat“ für Titan und Edelstahl, jeweils bei 240°C 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 spüren wird.

Wie man sieht, mit Titan gibt’s beim Ampelstart richtig Feuer unterm Hintern, was seine Aufheizphase signifikant verkürzt. Zu allem Überfluss hat Titan auch noch eine deutlich geringere Dichte. Er ist somit leichter und hat einen um 42% niedrigeren Wärmespeicherwert (heat capacity / HC), was ihm noch mal zusätzliches Tempo verleiht. Aufs Auto übertragen: Leichtbau, plus 80% mehr Motorleistung…

Watt denn nu wickeln?

Ohm erzeugt keinen Dampf, sondern die Oberfläche des Drahtes. Für die Praxis muss man daher die Oberfläche im Blick behalten und eine Kombination aus Oberfläche und (Warm-)Widerstand finden, damit später die passende Watt-Leistung auf der vorhandenen Oberfläche erzeugt wird. Ganz grob, pro 10 Watt Leistung sollten so etwa 50mm2 Oberfläche zur Verfügung 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 dünndrahtigen Twisted-Wicklungen von vornherein anders. Schaut man sich bei denen den „heat flux“-Wert in Steam Engine an, so dürften schön dampfende Dünndraht-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 Verhältnis zur Oberfläche aus, nach meinem Eindruck besonders je mehr Einzeldrähte beteiligt sind.

Der Landfrauenverband Quarrendorf-West urteilt in seinem Fachjournal „Dung & Duft“:

„Auf wolke101 fanden wir keinen Haufen Mist!“.

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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 Verfügung stehen, zumindest wenn man die gesamte Akku-Kapazität gern ausnutzen möchte.
10 Watt für MTL? Reichen da nicht 8??? Ja, locker, eigentlich. Mit der passenden Wicklung. Aber wenn wir mechanisch dampfen dann müssen auch die „zuviel Watt“ die bei vollem Akku vorhanden sind irgendwo untergebracht werden – deshalb wird die Wicklung mehr Oberfläche bekommen müssen als für MTL eigentlich nötig wäre. Es wird grenzwertig soviel Oberfläche bei 8 Watt zum (schönen) Dampfen zu überreden. Da hilft „ein bisschen mehr von allem“.

Um eine bestimmte Leistung zu bekommen muss man erstmal wissen wie der Widerstand eines TC-Drahtes sich verändern 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. 😉

Man könnte nun von einem Kaltwiderstand (Zimmertemperatur) auf den Warmwiderstand (Dampftemperatur) hochrechnen und sich per trial & error zum gewünschten Warmwiderstand hintasten. Eleganter ist es allerdings wenn man nur einmal rechnen muss, also „rückwärts“ vom gewünschten Warmwiderstand her den benötigten Kaltwiderstand berechnet und damit dann gleich weiß wieviel Ohm man wickeln muss. Die Formel dazu habe ich im Formelbeitrag erklärt:
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°C in der Rechnung sind ein Näherungswert – wie warm die Wicklung tatsächlich werden wird weiß man nicht exakt, da dies wiederum von Oberfläche und Stärke der Luftströmung abhängt. Nehmen wir mal an sie erreicht stattdessen 200°C, 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°C 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, Oberfläche & 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 schön, aber die Realität 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.

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Shaun Medley

Hi,

mag jetzt vielleicht nicht unbedingt der richtige Ort sein, aber
ich hätte da eine kleine Physik Frage: Weshalb wird eigentlich der Widerstand bei bsp. SS 316L Drähten bei Stromfluss größer, wenn doch dabei Wärme entsteht und somit Länge und Fläche des Drahtes größer und der Widerstand dadurch eigentlich kleiner werden sollte? Was verursacht da den höheren Widerstand?

Dilbert

Dampf = erhitztes Liquid, also Liquid mit erhöhter Wärmemenge und das ist Wärmeenergie. An derSpule wird elektrische Energie zu Wärmeenergie. Diese Energie(E) ergibt sich aus Leistung(P) mal Zeit(s).
E = P *s
Also sind 30W *1s = 10W*3s = 30Ws = gleiche Dampfmengebei gleichem Wirkungsgrad.

Energieerhaltung. Wie bei der Elektrotechnik gibt es in der Wärmelehre ein sog. Ohm´sche Gesetz.
Die Spannung ist der Temperaturunterschied (in der Elektrotechnik der Potenzialunterschied)
Strom = Wärmestrom und
Widerstand = Wärmewiderstand

Heiße Spule und kaltes Liquid entspricht der Spannung (Temperaturunterschied).
Je größer die Oberfläche der Spule, desto kleiner der Wärmeübergangswiderstand von Spule zu Liquid.
Dampf (Gase) haben einen hohen und Liquids eine kleinen Wärmewiderstand.

Ok, der Ansatz ist noch nicht vollständig. Es ist mein persönlicher Eindruck, daß die Energiebetrachtung beim Dampfen zu wenig berücksichtigt wird.