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

Was passiert beim Ausströmen des Dampfs aus dem Kessel
Weshalb ist der Kesselfüllstand die einzige veränderbare Einflussgröße für die Massenzunahme durch Aufschmäumen
Wesalb können erfahrene Benutzer mit einer Dampfprobe den Kesselfüllstand einstellen

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

Wieviel Dampf muss ich im Kännchen kondesnsieren, um mit der Wärme des Dampfs die Milch von Kühlschranktemperatur auf 60° zu erhitzern? In dieser Betrachtung gelten folgende Annahmen:

Statt Milch wird Wasser im Kännchen erhitzt. Wasser ist besser erforscht, einfacher zu berechnen und wegen des hohen Wasseranteils der Milch ist der Fehler dieser Annahme klein
Aus der Dampfdüse tritt (1-Fraktion(Wasser) gesättigter Dampf mit 100°C bei Umgebungsdruck + Fraktion(Wasser) bei 100°C aus
Die Verdampfungsenthalpie des austretende Wassers wurde für die Beschleunigung des Dampfs verwendet und steht für die Erhitzung der Milch nicht mehr zur Verfügung

Wieviel Dampf muss ich dem Kessel entnehmen, um die Milch von Kühlschranktemperatur 4° auf 60°C zu erhitzen.

Wärmemenge zum Erhitzern

Q = Delta(Temp) * c (Spezifische Wärme von Wasser) * m (Masse)
Q = 54K * 2,08 kJ/kgK * 1kg = 112,32 kJ

Welche Menge Kesseldampf muss ich kondensieren und von 100°C auf 60°C abkühlen, um diese Wärmemege aufzubringen.

Q = m(Dampf) *  [ (1-Fraktion(Wasser) * r (Verdampfungsenthalpie) + C (Spezifische Wärem) * Delta_Temp ] 
m = Q / ( (1-Fraktion(Wasser) *2201,6 [KJ/kg] + 2,08 kJ/kgK * 40K)
m = 112,32 kJ / ( 0,97 * 2201,6 [KJ/kg] + 83 kJ/kg )
m = 112,32 kJ / (2135,5 kJ/kg +  83 kJ/kg ) = 112,32 kJ / 2218,5 [kJ/kg] 
m = 0,050 kg

Oder als Bruchteil

1kg / 0,05 kg = 5 %

Gesamt Kondensat nach Erwärmen in der Milch: 5% kondensierter Dampf + 3 % Kondensat durch Entspannung in Düse ~ ca. 8 %

Durch das Aufschäumen der Milch nimmt die Flüssigkeitsmenge durch Kondensat um ca. 8 % zu.

Wie lässt sich die Kondensatmenge in der Milch beeinflussen