Kesselfüllstand einstellen

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Darstellung der Zusammenhänge:

  • Kesselfüllstand
  • Energieinhalt des Kessels und Aufheizzeit
  • feuchter und trockener Dampf
  • Grenzbetrachtung für trockenen Dampf


Ausgangspunkt war ein dieser Thread im kaffee-netz.

Allgemein

Im Kessel befinden sich Wasser und Dampf. Es können nur Zustände herrschen, die im T,s-Diagramm innerhalb der Nassdampfgebiets liegen. Nur hier können Dampf und Wasser gleichzeitig existieren.

Befände sich nur Wasser im Kessel wäre man auf der linken Grenzlinie des Sattdampfgebiets, befände sich nur Dampf im Kessel wäre man auf der rechten Grenzlinie des Nassdampfgebiets, der sogenannten Sattdampflinie. Im gesamten Nassdampfgebiet gehört zu einer Temperatur ein bestimmter Druck. Dies macht man sich zu nutze, und verwendet zur Regelung den einfach zu messenden Kesseldruck anstatt der Temperatur.

Wenn wir die beiden Phasen Wasser und Dampf getrennt betrachten, hat der Dampf im betrachteten Bereich (ca. 100° - 125°C) zwar einen etwa drei bis viermal höheren Wärmeinhalt gegenüber Umgebungsbedingungen des Wassers bei 20°C und Umgebungsdruck, aber seine Dichte ca. 1000 mal geringer. Deshalb trägt der Dampf im Kessel nur geringfügig zum Energieinhalt bei.

Daumenregel:

  • Hoher Füllstand, hoher Energieinhalt des Kessels und damit große anfängliche Dampfentnahme möglich.
  • Niedriger Füllstand: Niedriger Energieinhalt des Kessels und damit rel. geringe anfänglihce Dampfentnahme möglich.

Diese Daten kann man eine Wasserdampftafel entnehmen.

Dampfentnahme

Die Dampfentnahme führt zu einem Absinken des Drucks im Kessel. Da die im ersten Moment entnommene Wassermenge klein gegenüber dem Kesselinhalt ist, anfänglich der Energieinhalt also nur unwesntlich verändert wird, der Kesselinhalt aber nur Zustände passend zu seiner Temperatur einnehmen kann, wird sofort Wasser verdampfen, um den passenden Druck zur Kesseltemperatur wieder herzustellen. Die dafür notwendige Verdampfungsenthalpie wird dabei dem Wasser entzogen, es kommt zu einem Absinken der Kesseltemperatur.

Die Dampfphase ohne Beschleunigung verhält sich beim Durchströmen der Dampflanze und der Dampfdüse entsprechend einer isenthalpen Drosselströmung. Siehe waagerechte, grüne Linie im Diagramm. von der Sattdampfkurve (rechte Begrenzung des Naßdampfgebiets) in das Gebiet überhitzten Dampfs. Im idealen Fall behält der Dampf ca. Kesseltemperatur, da im betrachteten Gebiet Isenthalpen und Isothermen nahezu parallel laufen.

Da der Dampf im Kessel in Ruhe ist, aus der Dampfdüse aber mit einer gewissen Geschwindigkeit austritt, müssen wir vom vorhin betrachteten Fall noch einen Teil des Wärmeinhalts für die Beschleunigung aufwenden. Wir erhalten den Fall einer beschleunigten Strömung mit Enthalpieverlust und Entropiezunahme. Je höher die Beschleunigung in der Düse, desto höher der Feuchteanteil des Dampfs, im allgemeinen Fall wird man bei ca. 3% Wassermasse im Dampfstrom kommen. Siehe rote Kurve im Diagramm

Der Teil der Verdampfungsenthalpie, der zur Beschleunigung der Strömung aufgewendet wurde, steht nicht mehr zur Erwärmung zur Verfügung.

Kondensation

Kesselfüllstand

Energieinhalt
Der Kesselfüllstand bestimmt den Energieinhalt des aufgeheizten Kessels. Der Dampf leistet aufgrund seiner geringen Dichte nur einen geringen Beitrag dazu.
Aufheizzeit
Ein hoher Füllstand führt entsprechend zu einer längeren Aufheizzeit
Dampffeuchte