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
- Wenn das Knatterboot nach 2 Minuten Brenndauer noch keine
Bewegung ausführt ist der Grund meistens zuwenig Hitze von der
Teelicht-Kerze. Entweder ist die Flamme zu klein weil der Docht zu
kurz ist, oder die Flamme ist zu weit vom Verdampfer entfernt um
das Wasser zum Sieden zu bringen.
- Wenn das Knatterboot eine Zeitlang fährt, dann kurzzeitig
ganz schnell fährt und zuletzt stehenbleibt ist der
Knatterboot Motor trockengelaufen. Die Kerze etwas vom Verdampfer
wegnehmen damit der Verdampfer weniger aufgeheizt wird. Vor einem
neuen Start wieder Wasser in die Rohre füllen!
- Wenn das Knatterboot längere Zeit fährt und dann
einfach stehenbleibt ist oft die Alufolie von unten verrußt.
Ruß mit einem Holzstäbchen abschaben und das Knatterboot
ist wieder einsatzfähig.

- Wenn Luftblasen an den Jetdüsen austreten liegen die
Jetdüsen nicht tief genug im Wasser und haben Luft angesaugt.
Irgendwann ist zuviel Luft in den Rohren und der Wasserimpuls
Antrieb versagt. Das Heck des Bootes mit Münzen beschweren.
Vor einem neuen Start wieder Wasser in die Rohre füllen!

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
- Für eine Teelicht Kerze als Wärmequelle scheint ein
Rohr mit 3.5mm bis 4mm Außendurchmesser gut geeignet zu sein.
Rohre mit 2.5mm oder 5mm Außendurchmesser wiederholen immer
wieder das Startverhalten.
- Die Schraube des Spiralverdampfers mit Alufolie aus der
Küche umwickeln. Die Alufolie sorgt für eine bessere
Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung
von der Kerzenflamme auf die Spiralverdampfer Schraube.
- Die Rohre vom Verdampfer zu den Jetdüsen sollten
möglicht gut Wärme isoliert sein. Ein sehr guter Isolator
ist Luft. Die Rohre "frei" führen und nur am kalten Ende
(Jetdüsen) fixieren, so wie beim Boy Scouts of America
Jet
boat oder beim Holzschuh
Knatterboot.
- Damit die Jetdüsen gleichmäßig arbeiten die
beiden Endrohre mit einem Kühlblech verbinden und dadurch auf
gleiche Temperatur halten. Kühlblech und Endrohre liegen im
Wasser. Als Kühlblech eignet sich ein Streifen Küchen
Alufolie welches um beide Endrohre gewickelt wird.
- Das Endrohr vor den Jetdüsen sollte nach oben zeigen.
Dadurch gelangt nach einem Trockenlaufen des Knatterboot Motors
leichter Wasser in die Rohre und nach einiger Zeit (15 bis 60
Sekunden) startet der Knatterboot Motor erneut.

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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