Knatterboot

Autor: Andre Adrian
Version: 6.Mrz.2010



Bild links: Knatterboot mit liegendem Spiralverdampfer
Bild rechts: Knatterboot mit stehendem Spiralverdampfer

Einleitung

Knatterboot, Kerzenboot, Put-Put Boot, Tuk-Tuk Boot, pop-pop boat und moteur pop-pop sind nur einige Namen für ein Spielzeugschiff mit Wasserimpulsantrieb (Pulsarmotor, Dampfjetantrieb, pulsed waterjet). Das erste Knatterboot Patent erhielt im Jahr 1891 Désiré Thomas Piot, ein Franzose in England. Sein "Improvements in Steam Generators" beschreibt einen Flachverdampfer. William F. Purcell beschreibt im seinem "Propelling Device" Patent von 1920 einen Spiralverdampfer.
Zwischen 1930 und 1950 war das Knatterboot ein beliebtes Kinderspielzeug aus Blech in Europa und Nordamerika. Heute kommen Knatterboote aus Indien. Knatterboote lassen sich für wenig Geld kaufen (so ab 6 Euro) oder lassen sich für noch weniger Geld selbst bauen (Materialkosten 2 Euro).
Auf dieser Webseite wird der Selbstbau eines Spiralverdampfer Knatterbootes beschrieben.

Inhaltsverzeichnis


Knatterboot in Fahrt

Das Knatterboot wird mit einer Teelicht-Kerze betrieben. Am besten funktioniert das Knatterboot in einem Waschbecken, einer Badewanne, einer grossen Schüssel oder in einem Teich. Für "Flußaufwärts" in fließenden Gewässern reicht die Antriebskraft nicht aus.
Vor dem Start wird der Wasserimpulsantrieb mit seinem Treibmittel Wasser gefüllt. Einfach ein Rohr unter den geöffneten Wasserhahn halten und warten bis Wasser am anderen Rohr herausläuft. Dann ein Rohrende mit dem Finger zuhalten und das Knatterboot aufs Wasser setzen.
Die Teelicht-Kerze wird vor dem Verdampfer auf das Boot gesetzt und angezündet. Die brennende Kerze wird unter den Verdampfer geschoben. Nach ungefähr 30 Sekunden Brenndauer ist im Verdampfer nur noch Wasserdampf. Das Boot führt in diesem Moment eine ruckartige Vorwärtsbewegung aus - für einen Moment arbeitet der Wasserimpulsantrieb als Raketenantrieb und presst einen Grossteil des Wassers aus dem Verdampfer durch die Jetdüsen. Nach weiteren 30 Sekunden Brenndauer beginnt die "Tuk-Tuk" Oszillation: Wasser wird angesaugt und ausgestossen. Üblich sind 1 bis 10 Stöße pro Sekunde (1 bis 10 Hertz). Das Knatterboot kann nun stundenlang fahren.



Knatterboot will nicht fahren




Wie funktioniert ein Wasserimpuls Antrieb?



Die Funktionsweise des Wasserimpulsantriebes ist nicht gut erforscht. Seit langem ist der miserable Wirkungsgrad von 0.02% bis 0.1% bekannt. Deshalb haben die Motorenbauer den Knatterboot Motor ignoriert. Einige wissenschaftliche Erkenntnisse gibt es trotzdem. So haben einige Forscher Knatterboot Motoren aus Glas und mit Sichtfenster gebaut.
Bei einem Spiralverdampfer ist im Verdampfer selbst nur Wasserdampf und Luft. Die Luft war vorher im Wasser gelöst und ist durch die Erhitzung ausgegast.
Am Verdampfer ist das Rohr mindestens auf Siedetemperatur des Wassers aufgeheizt. An den Jetdüsen hat das Rohr Wassertemperatur. Am Meniskus (Hydrostatik), der Wasserdampf zu Wasser Grenze, laufen folgende Prozesse ab: Durch den Wasserdampfdruck wird das Wasser in Richtung Jetdüsen gepresst. Die vorher mit Wasser gefüllten Rohrabschnitte sind so kühl das der Wasserdampf kondensiert. Nach der Kondensation besteht wegen dem Volumenunterschied von Wasserdampf zu Wasser von 1700 ein Unterdruck zum Luftdruck und der Meniskus bewegt sich wieder in Richtung Verdampfer.
Der Wasserimpulsantriebes ist ein offenes System und führt eine Wärmeübertragung von der Kerzenflamme auf die Umgebung durch.



Bild anklicken um Video zu starten. Das Video stammt von www.eclecticspace.net .

Wasserimpuls Antrieb Startverhalten

Beim Start eines Spiralverdampfers laufen andere Prozesse ab. Das gesamte Wasser im Verdampfer wird gleichzeitig aufgeheizt und erreicht somit gleichzeitig die Siedetemperatur. Eine Wasserdampfblase entsteht welche das Wasser im Verdampfer durch die Rohre und die Jetdüsen nach aussen presst. Das Knatterboot macht oft eine schnelle, ruckartige Bewegung wenn das Wasser ausgepresst wird.
Während die Kerze den Verdampfer weiter erhitzt steigt der Wasserpegel in den Rohren langsam wieder auf. Die Hitze im Verdampfer treibt die Wassermoleküle im Wasserdampf in Richtung Meniskus wo diese kondensieren. Der Meniskus wird durch diesen langsamen Vorgang nicht verwirbelt. Der Wasserdampf enthält dadurch pro Volumeneinheit immer weniger Wassermoleküle und damit immer weniger Druck. Der Luftdruck presst das Wasser langsam die Rohre hoch bis die Oszillation einsetzt.
Manchmal erfolgt nach dem Aufsteigen der Wassersäule in den Rohren nicht die Oszillation sondern die Bildung einer zweiten Wasserdampfblase. Der Wasserimpuls Antrieb führt dann immer wieder das Startverhalten aus. Man kann von einem Ruck-Boot (englisch jerk boat) sprechen.

Messung von Jean-Yves Renaud

Jean-Yves Renaud hat Druck (P) und Volumen (V) eines Flachverdampfers gemessen. Siehe Artikel  Pop-pop efficiency: a new way to know it. Der Wirkungsgrad ist 0,123%.



Knatterboot Motor optimieren



Knatterboot selbst bauen

Das Knatterboot läßt sich ohne Maßband und ohne Klebstoff aufbauen.

Stückliste

1m Messingrohr Außendurchmesser 3.5mm, möglichst dünnwandig (Modellbau Fachgeschäft, reicht für 2 Knatterboote)
Alufolie aus der Küche
Styropor 10mm stark (von Verpackung)
Milch- oder Saft-Tüte (wasserfester Karton)
Teelicht-Kerze

Werkzeug

kleine Metallsäge
Schleifpapier (200er bis 400er Korn)
scharfes Messer (Teppichmesser)
Biegelehre (Schraubstock, 4mm dickes Holzbrettchen, ein Stück Besenstiel)

Spiralrohr anfertigen



Das dünnwandige Messingrohr läßt sich ohne Weichglühen biegen. Nötig ist aber eine Biegelehre. Meine Biegelehre besteht aus einem Schraubstock, einem Besenstiel und einem 4mm dicken Holzbrettchen. Der Besenstil wird senkrecht in den Schraubstock gestellt. Je nach Biegeaufgabe ist der Besenstil ganz links oder ganz rechts eingespannt. Zwischen Besenstil und Schraubstockbacken wird noch das Holzbrettchen eingespannt. Das Holzbrettchen ist etwas tiefer eingespannt (nicht bündig mit der oberen Kante der Schraubstockbacken) um eine Vertiefung für das Messingrohr zu lassen.
Das Messingrohr kann nun oberhalb des Holzbrettchen in die Vertiefung zwischen Besenstil und Schraubstockbacke eingelegt werden. Mit beiden Händen wird das Messingrohr nun links und rechts neben dem Besenstil festgehalten. Die eine Hand hält das Messingrohr fest, die andere Hand biegt das Messingrohr langsam und vorsichtig um dem Besenstil. Knicke entstehen wenn der "Rohr biegende" Finger zu weit vom Besenstil entfernt ist (immer wieder Nachgreifen!) oder wenn die "Rohr haltende Hand" das Messingrohr durch die Finger rutschen läßt.
Zuerst werden die 1.5 Windungen der Schraube (im Bild rechts) des Spiralverdampfers gebogen. Rohrlänge von Jetdüse bis Verdampfer Schraube ist 13cm. Eine Rohrlänge von 12cm bis 15cm wird empfohlen. Zu kurze Rohre neigen zum Trockenlaufen. Zu lange Rohre verschlechtern den Wirkungsgrad.
Als Zweites wird die Biegung in der Mitte ausgeführt. Hierzu muß der Besenstil einmal "umgespannt" werden. Achtung: Am besten macht man eine Markierung (wasserfester Marker Stift oder Klebeband) an beiden Rohren an der gewünschten Biegestelle. Ich vergesse immer wieder das beim Biegen die eine Seite nach dem Biegen "kürzen" ist als die noch nicht gebogene Seite. Eine Markierung für "an dieser Stelle das Messingrohr an den Besenstil legen" hilft für gleichmäßige Biegeergebnisse. Übrigens: Der Besenstil sollte nur wenig nach oben über den Schraubstock hinausragen um beim Biegen nicht zu stören.
Als Drittes wird die Biegung in der Nähe der Jetdüsen (im Bild links) ausgeführt. Achtung: am Ende soll die Schraube nicht waagrecht über der Kerzenflamme liegen sondern schräg nach oben zeigen.
Nun werden die beiden Rohre auf gleiche Länge gebracht mit einer kleinen Metallsäge. Auch hier kann das 4mm Holzbrettchen helfen: Nur das Holzbrettchen im Schraubstock etwas nach unten versetzt einspannen. Nun kann das Messingrohr in die Vertiefung gelegt werden (nicht im Schraubstock einspannen, Quetschgefahr!) und man hat beim Sägen eine Führung.
Mit Schleifpapier (200er bis 400er Körnung) werden die Jetdüsen entgratet.

Spiralverdampfer verkleiden



Die Schraube des Spiralverdampfers wird mit Alufolie aus der Küche umwickelt. Die Alufolie wird nicht geklebt. Die überstehenden Ecken der Alufolie werden umgebogen. Dadurch hält die Alufolie wie eine stramm sitzende Mütze.

Schiffsrumpf anfertigen

Mit einem scharfen Messer (Teppichmesser) wird der Styropor zugeschnitten. Natürlich eignet sich alles was schwimmt (Balsaholz, Kork, ...) oder was schwimmbar gemacht werden kann (aufgeschnittene Milchtüte, Fischdose, ...). Ein Styropor Rumpf ist einfach am schnellsten gebaut.
Aus Milchtüten Karton werden die Spiralverdampfer Halterung und das Ruder geschnitten. Mit einem spitzen Gegenstand (Nagelschere) werden zwei ungefähr 3mm grosse Löcher in den Halter gebohrt. Der Abstand zwischen den Löchern ergibt sich aus dem Abstand der beiden Spiralverdampfer Rohre. Der Halter sollte sich "stramm" auf den Spiralverdampfer schieben lassen.
Nun wird das Spiralrohr mit Jetdüsen voraus von oben schräg durch den Styropor Rumpf gespießt.



Das Ruder ist ein weiteres Stück Milch-Tüten Karton. Mit dem Teppichmesser wird ein Schnitt in den Styropor-Rumpf gesetzt und das Runder darin festgeklemmt.



Knatterboot Modell 2



Die Kerze steht auf einem Stück Milchtüten Karton. Der Karton ist mit Tesafilm am Styropor Rumpf befestigt. Das Wärmeleitblech des Verdampfers hat ein Loch von 3mm Durchmesser als Rauchabzug. Der obere Deckel wurde entfernt. Die Endrohre sind nach oben gebogen. Das Modell 2 startet nach Trockenlaufen selbstständig. Die Endrohre sind mit einem Kühlblech aus Alufolie verbunden. Der Bootsrumpf hat ein spitzes Heck. Die Jetdüsen liegen ausserhalb des Bootsrumpfes.

Knatterboot Modell 3



Beim Modell 3 steht der Spiralverdampfer. Die Teelicht-Kerze heizt über ein Heizblech aus Küchen Alufolie den Verdampfer an dem Punkt der am weitesten von den Jetdüsen entfernt ist. Die Endrohre sind mit einem Kühlblech aus Alufolie verbunden. Als Ruder dient ein Stück Küchen Alufolie. Modell 3 startet ebenfalls nach Trockenlaufen selbstständig.
Die Zeichnung rechts zeigt die Temperaturverlauf im stehenden Spiralverdampfer. Das Heizblech überträgt die Wärme von der Kerzenflamme auf das Wasser. Die Kühlbleche bringen die Rohre auf Temperaturen unter dem Siedepunkt und ermöglichen die Kondensation des Wasserdampfes. Bei Rohrdurchmesser von 3.5mm sind die Kühlbleche noch nicht nötig, erst bei Rohrdurchmesser von 5mm und mehr.

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