Thema: Was ist thermisch besser: Aluminium- oder Messing-Duschplatten für die CC?

Hallo,

ich weiß nicht, ob es schon mal jemand gemacht hat, ich habe nichts dergleichen gefunden:

Ich frage mich, ob die Messingplatte für die CC in Bezug auf die thermische Stabilität tatsächlich besser ist als die Aluplatte. Die Frage lautet also:

Angenommen, die Maschine ist auf Betriebstemperatur. Bei welchem der beiden Materialien sinkt die Wassertemperatur bei einem Bezug weniger stark ab?

Man könnte messen, aber das ist langweilig Vielleicht kann man es auch ausrechnen. Meine Physikkentnisse sind leider nur Oberstufenniveau aus dem letzten Jahrtausend , deshalb kann ich die Frage nicht ganz sicher beantworten.

A Energiekapazität

Ich habe gewogen und nachgerechnet, ob und wieviel Energie (Wärme) die Messingplatte mehr speichern kann als die Aluplatte:

1. Dichte lt Wikipedia
Alu: 2,7 g/cm³
Messing: 8,86 g/cm³ (CuZn5)
-> Verhältnis: 3.29

2. Gemessene Massen
(zur Kontrolle, wegen variierender Messingdichte und evtl. unterschiedlicher Volumina)
Aluplatte: 73g
Messingplatte: 240g
-> Verhältnis: 3.29

3. Spez. Wärmekapazitäten lt. Wikipedia
Alu 897 J/(kg · K)
Messing 377 J/(kg·K)
-> Verhältnis: 2.38

4. Fazit
Alu speichert Energie besser als Messing, hat aber eine im Verhältnis deutlich geringere Masse und kann deshalb bei identischem Volumen weniger Energie speichern

Energieverhältnis: f = 3.29/2.38 = 1.38

Wenn ich mich nicht vertan habe, müsste also die Messingplatte 38% mehr Wärme speichern als die aus Alu.

B Wärmeabgabe

Spannend wäre jetzt zu wissen, wie die Wärmeabgabe während der 25 Sekunden verläuft, also ob die Messingplatte ihr Plus an Energie tatsächlich an das Wasser abgeben kann.

Ich weiß leider nicht wie man so etwas präzise ausrechnet, das riecht mir wegen der kontinuierlichen Energieabgabe und dem Abkühlen der Platte stark nach Integralrechung Nach dem Überfliegen(!) des Wikipediaartikels zur Wärmeleitfähigkeit, die etwas über die mögliche Wärmeabgabe aussagt, komme ich aber zu der Erkenntnis, dass es für die Fragestellung ausreichen müsste, lediglich die beiden stoffspezifischen Konstanten Wärmeleitfähigkeit mit einander zu vergleichen:

Alu: 236 W/(m*K)
Messing: 120 W/(m*k)

Wenn ich es richtig verstanden habe, kann Alu also die Wärme doppelt so schnell wieder abgeben. Damit dürfte der Vorteil der Messingplatte, mehr Energie gespeichert zu haben, wieder dahin sein. Mein Gesamtfazit lautet also:

Eine Alu-Duschplatte ist thermisch besser geeignet als eine Messingduschplatte.

Stimmt das so?

Viele Grüße
Stefan

edit: ups. das hat ja wirklich schon mal jemand gemessen

Messergebnisse: Temperatur im Puck während eines Doppio-Bezugs (Achtung, lang!)

Ich muss das morgen mal genau lesen, aber nach dem allerersten Blick auf die Grafik bestätigt sich anscheinend, dass der Bezug mit der Aluplatte heißer ist und bleibt als der mit der Messingplatte, allerdings zeigt er eine größere Variation.

Zitat von Bowman

Zitat von S.Bresseau

Ich frage mich, ob die Messingplatte für die CC in Bezug auf die thermische Stabilität tatsächlich besser ist als die Aluplatte.

suchst Du Streit?

Zitat von betateilchen

suchst Du Streit?

Nein. Du?

Ich habe mir Bowmans Messungen, insbesondere die äußerst interessanten Gaggia-Kurven und seine Erklärungen, genauer angeschaut. Zusammengefasst: Die "Messing"-Kurve (dunkelgrün) hat ihr Maximum bei 92.3° und sinkt auf 87.5°. Die genauen Werte für die "Alu"-Kurve (hellgrün) hat Bowman leider nicht genannt, aber alle Werte sind höher, teilweise deutlich. Die Alu-Werte haben eine größere Schwankungsbreite (6° vs. 4.8°). Spannend ist der Kurvenverlauf am Anfang:

Zitat von Bowman

Völlig rätselhaft ist mir aber, wieso die 'Alu-Kurve' zu Anfang knapp 4 °C über der 'Messing-Kurve' liegt.

Das liegt imho an der doppelt so hohen Wärmeleitfähigkeit von Alu, sprich: es kann gleich zu Beginn mehr Energie in der selben Zeit abgeben, das Wasser wird heißer. Die Kurve knickt stärker ein, weil dem Alu "die Puste" ausgeht - hier merkt man die geringere absolute Wärmekapazität. Genau in diesem Punkt hat im ersten Post meine stark vereinfachte Betrachtung nicht gestimmt, für eine Berechnung des Wärmeverlustsverlaufs müsste man tatsächlich ziemlich tief in die Thermodynamik einsteigen.

Die Messung wurde ja für 50 ml durchgeführt. Interessant wäre noch eine Messung für 25 ml. Ich vermute, dass die Alu-Kurve nicht so stark einbrechen dürfte wie bei 50ml, d.h. dass sich der Verlauf der Alu- und der Messing-Kurve stärker ähneln dürften.

Meine Annahme aus dem ersten Post war nicht richtig, das Gesamtfazit lautet vielmehr:

Die Messingplatte sorgt insbesondere bei einem doppelten Espresso für etwas stabilere, aber auch etwas kältere Temperaturen.

Die zweite Erkenntnis ist sehr wichtig: Nach dem Einbau der Messingplatte steigt der Offset der PID-Steuerung.

Dies deckt sich mit meiner Erfahrung, ich habe die Kessel-Temperatur um 2 Grad heraufgesetzt, weil mir der Kaffee zu sauer war. Den Effekt konnte ich mir bis gerade eben nicht erklären.

Viele Grüße
Stefan

Zitat von S.Bresseau

Dies deckt sich mit meiner Erfahrung, ich habe die Kessel-Temperatur um 2 Grad heraufgesetzt, weil mir der Kaffee zu sauer war. Den Effekt konnte ich mir bis gerade eben nicht erklären.

Das kann ich vorsichtig bestätigen: Eine Messingplatte in der CC habe ich schon länger verbaut. Und vor kurzem habe ich die CC wieder in Betrieb genommen und mit der Silvia verglichen.
Ich muss bei beiden bei etwa der gleichen PID-Temperatur starten. Und das hat mich insofern gewundert, weil eine CC doch einen kleineren Offset haben müsste (viel kürzerer Weg).
Dieser Effekt bleibt auch stabil, wenn man das CC-Wasser vorheizt, also eine vergleichbare Intrashot-Stabilität zur Silvia hat.

Wie gesagt: "vorsichtig"...

Zitat von S.Bresseau

... Wärmeleitfähigkeit von Alu, sprich: es kann gleich zu Beginn mehr Energie in der selben Zeit abgeben, das Wasser wird heißer.

Das halte ich für einen Denkfehler: Die Platte ist das kälteste Glied in der Kette und kühlt das heißere Wasser herunter. Möglicherweise ist die Aluplatte zu Bezugsbeginn wegen der besseren Leitfähigkeit heißer als Messing, welches "in Ruhe" vom Messing-Siebträger gekühlt wird und nicht schnell genug Wärme nachziehen kann.

Das bessere Material für die Duschplatten Halterung ist wohl POM, das verwendet Kees für seine Maschinen.

Warum?
Mit solchen Pauschalaussagen wäre ich vorsichtig. Das mag für Kees' Maschinen zutreffen, aber bei einem kleinen Brühboiler wie bei der Gaggia kann ein wärmeleitendes Material eher vorteilhaft sein.

Stefan, da hast Du Dir was vorgenommen, was so nicht machbar ist. Das thermodynamische System, das Du betrachtest, ist extrem komplex - es beinhaltet verschiedene Materialien, eine unübersichtliche Geometrie und befindet sich während des Bezugs, also in der Phase, die von Interesse ist, nicht im Gleichgewicht.
Sowas kann man nicht analytisch rechnen sondern nur angehen über eine Modelllierung und Finite-Elemente-Rechnung.

Ohne jetzt ins Detail zu gehen: die entscheidende Materialeigenschaft ist die Wärmekapazität, nicht die Wärmeleitfähigkeit. Energiekapazitäten gibt es nicht

Gruss,
Mick

Zitat von Two

Stefan, da hast Du Dir was vorgenommen, was so nicht machbar ist. Das thermodynamische System, das Du betrachtest, ist extrem komplex - es beinhaltet verschiedene Materialien, eine unübersichtliche Geometrie und befindet sich während des Bezugs, also in der Phase, die von Interesse ist, nicht im Gleichgewicht.
Sowas kann man nicht analytisch rechnen sondern nur angehen über eine Modelllierung und Finite-Elemente-Rechnung.

Mit dieser Problematik hatte ich vor vielen Jahren in einem meiner ersten Jobs als Informatiker zu tun (Simulation von Kraftwerken), allerdings war ich mit der grafischen Aufbereitung und dem Messaging zwischen dem "numbercruncher" und den Workstations betraut, nicht mit der Physik. Dass man thermodynamische Prozesse nicht völlig exakt rechnen und simulieren kann ist mir deshalb schon klar, aber man hätte mit einfachen (Modell)Annahmen vermutlich berechnen können, wie der qualitative Verlauf ist, sprich der Peak am Anfang und der höhere Wärmeverlust im Verlauf.

Zitat von Two

Ohne jetzt ins Detail zu gehen: die entscheidende Materialeigenschaft ist die Wärmekapazität, nicht die Wärmeleitfähigkeit.

ich vermute, dass der Unterschied zu Beginn der Kurven keinesfalls mit der geringerern Kapazität der Aluplatte erklärt werden kann.

Zitat von Two

Energiekapazitäten gibt es nicht

soso ... Energiekapazität