Thema: Herdkanne: Wasser- Luftverhältnis nur Sicherheitshalber?

Hallo,
seit einigen Tagen kann ich nicht mehr meine Herdkanne anschauen,
ohne mich zu fragen, wie sich das Mengenverhältnis von Wasser und
Luft auf den Druck ausübt.
Ich würde sagen, solange noch etwas Luft vorhanden ist,
müsste der sich der Druck sogar schneller aufbauen,
wäre weniger Luft drin. Oder kann es sein,
dass sich das gasförmige Wasser nur unter "Luftbedingungen"
verflüchtigen kann? Nein ich denke in einer Herdkanne ist nur soviel
Luft vorgesehen, da diese gleichzeitig als Puffer dient,
damit das Ventil genug Zeit hat anzusprechen,
so dass der Kessel nicht sofort zerberstet? Die Druckkurve geht ja
rapide hoch bei zunehmender Temperatur.
Über Erklärungen/Anregungen freue ich mich jetzt schon...

ich glaube mal gehört zu haben, dass das überdruckventil über wasser sein muss, damit es richtig arbeiten kann.


außerdem ist das "luftpolster" über dem wasser komprimierbar. wenn beim aufheizen des wassers dampf entsteht, kann sich also noch für eine gewisse zeit ein druck aufbauen, bis dieser zu groß wird und das wasser nach oben treibt. wäre kein luftpolster vorhanden, würde das wasser wahrscheinlich schon früher und evtl. auch mit weniger druck nach oben steigen.
(so erkläre ich mir das jedenfalls)

wie schon erwähnt sollte das sicherheitsventil oberhalb der wasseroberfläche liegen, damit dort im ernstfall kein wasser herausspritzt, sondern nur luft und dampf.

außerdem sorgt die luft dafür, dass ein höherer druck bei gleicher temperatur entsteht, die partialdrücke von luft und wasserdampf werden addiert.

umgekehrtes gilt für die espressomaschine: hier schließt ein entlüftungsventil den kessel erst dann, wenn der dampf alle luft verdrängt hat, damit nur der partialdruck vom wasserdampf übrig bleibt. nur so lässt sich zuverlässig die kesseltemperatur über den kesseldruck regeln, denn die luft entweicht sowieso spätestens beim ersten milchaufschäumen.

gruß, max

Danke erstmal. Das mit dem Ventil ist ne klare Sache.
Also vermischt sich der "Partialdruck" der Luft von ca. 1bar mit dem des Wasserdampfes bei 120grad 2 bar zu einem Gesamtdruck von 1,5 bar? Oder wie meinst du das mit der Druckangleichung? Also was wäre denn dann das Idealverhältnis der Volumen von Luft/Wasser, um möglichst viel Power rauszuholen - fifty-fifty?
Zuviel Luft würde zuviel Wasser aufnehmen, was den Wasservorat schrumpfen lasse würde. Zu wenig wäre zu schnell gesättigt und zu unruhig?
Ich verstehe es so: Ohne genügend Raum kann das Wasser sich nicht verflüssigen, da das Volumen bei Hitze zunimmt. Es sei denn man würde den Raum zuvor evakuieren. Je weniger Raum/Luft vorhanden, desto mehr wirken hydraulische Kräfte auf das Gefäß, was gefährlich wäre...

den dampfdruck (=partialdruck) von wasserdampf kannst du aus einer dampfdrucktabelle entnehmen. bei 110°c sind's etwa 1,1bar relativ, also etwa 2,1bar absolut. dazu addiert man den partialdruck von luft. man nimmt einfach an, die luft, die über dem wasser stehe, verteile sich über das gesamte volumen der kanne, man "beamt" das wasser also gedanklich weg. dann bestimmt man den partialdruck der luft, indem man erst den absolutdruck der luft beim start (~1bar) mit dem verhältnis von luftvlolumen zu gesamtvolumen und dann noch mit dem verhältnis von starttemperatur (~300K) und endtemperatur bestimmt. zuletzt addiert man die partialdrücke von luft und wasser(-dampf).

beispiel:

-die kanne ist zur hälfte mit luft gefüllt, zur anderen mit wasser.
-beim zuschrauben des gefäßes herrschen 1,013bar und 300K (zimmertemperatur)
-maximal entwickelt die kanne 115°C=388K

=> p_wasser= 2,075 bar
=> p_luft= 0,719 bar

=> p_gesamt= 2,794 bar

da von oben ja noch der normale luftdruck dagegen drückt, muss man nochmal 1,013 bar abziehen, um den druck auf das kaffeepulver zu ermitteln:

p_kaffee= 1,781 bar

da ich nicht weiß, wie hoch die temperatur in solchen kännchen wird, kann ich natürlich auch nicht sagen, wie groß der druck am ende tatsächlich ist. die rechnung zeigt aber recht gut den einfluss der luft. bei einem geringeren luftanteil ist der enddruck natürlich niedriger, bzw, wenn das kaffeepulver dem wasser den gleichen widerstand entgegensetzt, wird die temepratur des wassers im kännchen höher, um bis zum gleichen druck zu kommen. ganz ohne luft wären wird da schon bei 123°C, was dem kaffee ganz sicher nicht gut bekommt, bedenkt man, dass er normalerweise in espresso- und filtermaschinen bei 88-96°C gebrüht wird...

gruß, max

Danke für die ausführliche Rechnung. Hört sich sinnig an. Ich nehme mal an, dass sich der Enddruck bei etwas mehr/weniger Luft nicht großartig verändern wüde.
Wenn ich aber zuviel Luft hätte - also z.B. 2/3 - was wäre dann? Verdampft wird ja nur ein Bruchteil des Wassers, welches das Luftvolumen rapide sättigt. Wahrscheinlich würde sich am statischen Druck nicht viel ändern, allein die Dynamik würde sich im Ansprechverhalten verändern.

Die Alukänchen können nicht so heiß werden, das wird ab 200 grad ja schon weich... aber eigentlich wäre es nur eine Zeitfrage bis sie 200 erreichen würden, vorausgesetzt das Ventil und natürlich die Kanne machen es mit... Die Bacchi-Kanne macht es ja z.B. mit. Dort müssten auch an die 200 grad herrschen um auf 9bar zu kommen. Der kleine Wasserbehälter im unteren Teil sieht auch nicht so aus, als würde er viel Volumen besitzen. Da muss wohl erst richtig viel Wasser verdampfen, bis der Kolben oben angelangt ist. Zu dem Zeitpunkt müsste die Luft auch nur noch (schätzungsweise) 20% des Gesamtvolumens ausmachen.

es verdampft immer nur so viel wasser, bis der zur aktuellen temperatur gehörige sattdampfdruck anliegt. dann sind kondesation und verdampfung im gleichgewicht. es verdampft erst wieder mehr wasser, wenn man die temperatur erhöht, sich das volumen vergrößert (wenn ein teil des wassers in den oberen teil der kanne aufsteigt) oder wenn man etwas dampf entnimmt (espressomaschine, milchschäumen).

was ich in meinem letzten beitrag geschrieben habe, gilt allerdings nur am ende, also wenn die kanne schon (fast) leer ist. ganz am anfang ist das verhältnis von luft zu kannenvolumen egal. in meinem zahlenbeispiel liegt der druck also am anfang bei 2,5 bar und baut sich dann bis zum ende auf 1,8 bar ab, weil die luft ja jetzt erst das gesamte kannenvolumen einnimmt. würde man mit weniger luft starten, ginge es ebenfalls bei 2,5bar los, der druck am ende des brühvorgangs wäre aber geringer.

ein höheres luftvolumen sorgt also eher dafür, dass der druck zum ende hin nicht so stark abnimmt, bzw die temperatur am ende nicht zu hoch werden muss, um den nötigen druck aufzubauen, damit das wasser durch das kaffeepulver gedrückt werden kann.

die bacchi-kanne funktioniert, soweit ich weiß, etwas anders, da steckt wohl noch irgendein hydraulisches prinzip drin, was den druck von ~3 bar auf 9 bar erhöhen kann. genauso nutzen einige große espressomaschinen den wasserleitungsdruck von 4-5 bar, um einen zylinder zu bewegen, der am anderen ende einen druck von 9 bar am kaffee aufbringt. dabei geht aber eine menge wasser ungenutzt in den kanal...

gruß, max

edit: über den druck vom wasser in abhängigkeit des luftvolumens muss ich mir noch ein paar gedanken machen, so ganz astrein ist das noch nicht ...

Die Luftmenge ist vollig egal, es verdampft so lange Wasser, bis der entsprechende Sättigungsdampfdruck für die aktuelle Temperatur erreicht ist. Warum sollte man hier Partialdrücke benötigen?

Bei einer Wassertemperatur von 110 Grad ist der Druck ca. 0,4 bar, bei 120 Grad ca. 1 bar, bei 130 Grad ca. 1,7 bar (jeweils über Normaldruck).

Grüße, Thomas

schonmal eine zweikreismaschine mit hängendem entlüftungsventil gehabt?
das ding kannst du eine stunde heizen lassen, der druck geht bis zum eingestellten kesseldruck hoch, aber die maschine wird trotzdem nicht richtig heiß. sie heizt erst dann voll auf, wenn man über den dampfhahn die luft abgelassen hat.
insofern würde ich schon annehmen, dass die hoch einen enfluss auf das verhältnis von druck und temperatur hat...

gruß, max

An eine Zweikreismaschine hatte ich allerdings nicht gedacht, ich habe auch nie eine besessen.

Uber die Thematik habe ich mal etwas nachgedacht (und Google benutzt

1. Die Partialdrücke werden addiert, wenn mehrere Gase in ein Volumen zusammengebracht werden, das sie vorher alleine zur Verfügung hatten.
Beispiel: 1 Liter Luft mit 0.5 Bar und 1 Liter Wasserdampf mit 1 Bar ergeben 1 Liter Luft-Dampf-Gemisch mit 1,5 Bar. Bei jeweils einem halben Liter Luft und Dampf bei 1 Bar ergibt sich dann ein Gemisch von einem Liter bei 1 Bar, in dem Fall werden die Drücke nicht addiert.

2. Bei gleichem Temperaturanstieg im Bereich >100 Grad steigt der Druck des Dampfes wesentlich schneller als der der Luft. Meiner Meinung nach verhält sich der Druck der Luft etwa entsprechend der allgemeinen Gasgleichung für ideale Gase (p * V / T = Konstant). Dadurch erhöht sich der Luftdruck in konstanten Volumen bei einer Erhöhung der Temperatur von 100 auf 110 Grad Celsius ivon 1 Bar nur um ca. 10/373 (T in der Gleichung ist in Kelvin), also auf 1,027 Bar.
Der Luftanteil Kessel würde nur eine schnellere Druckerhöhung mit der Temperatur ergeben, wenn dessen Druck schneller steigen würde als der Dampfdruck. Dann müßte zusätzlich der Luftanteil groß sein, weil zunächst der Wasserdampf komplett zurück ins Wasser gedrückt wird, bevor der Kesseldruck über den Sättigungsdampfdruck steigen kann.

3. Beim Beispiel des Zweikreisers mit Pressostatregelung und Luft im Kessel wird die Wassertemperatur genauso groß werden, wie ohne Luft.
Wesentlich verschlechtert wird die Energieübertragung in den HX, weil Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, Dampf aber ein guter (Zweikreiser funktioniert im Dampbereich wie eine Heatpipe: Wasserdampf kondensiert am kühleren HX und gibt Energie ab, dadurch sinkt der Druck und neuer Dampf entsteht aus dem heißeren Wasser. Das Kondensat tropft zurück).
Der HX wird in dem Fall nicht heiß genug.

OT: Ein weiter Effekt, der auch ein Entlüftungsventil nötig macht: Wenn versucht wird, mit Luft Milch aufzuschäumen, kondensiert diese nicht in der Milch und die Milch wird aus der Kanne geblasen.

Grüße, Thomas