Grundsätzliches über Gaggia und Temperaturen, oder ein Ingenieur langweiligt sich.

Mahlzeit.
Ich bin krank, hocke zuhause, habe eine neue-alte Gaggia Baby '77 von Pablo und es ist mir langweilig. Gefährliche Kombination...

Ich lese hier viel über Vorteile vom Einkreiser und PID und hau-mich-tot noch Technik, das reizt mein Spieltrieb natürlich enorm an, ich habe mir (und Pablo) aber versprochen, die alte Dame nicht anzurühren und mit moderner Technik nicht zu verunstalten. Wäre schlicht ein Stilbruch. Nichtsdestotrotz wollte ich herausfinden, wie die Maschine tickt, wie schlecht (oder gut) ist eigentlich das Temperaturverhalten der Maschine in Originalzustand und was man eigentlich verbessern (oder verschlimbessern) kann.

Ziel dieses Postings ist ein Paar Daten für die Zukunftbastler und Reglungsspieler zu sammeln und über einige Beobachtungen zu berichten.

Vorerst muss ich sagen, dass ich von der Konstruktion der kleinen Gaggia voll begeistert bin. Sie ist eigensicher, der Heizkreisthermostat hat integrierte doppelte Sicherheit, sehr kompakt gelöster Aufbau, trotzdem ein Expansionsventil und ein Magnetventil sind drin.

Der Kessel hat die Heizelemente in die Außenwände integriert. Die Temperatur wird mit zwei Thermostaten geregelt: einer sorgt für Dampf, der andere für die Brühtemperatur. Die Thermostaten sind in den Außenmantel des Kessels eingebaut (neuere Modelle haben 2 Kapselthermostaten mit M4-Gewinde zum einschrauben, die alte Version hat Dampfthermostat als Kapsel und Brühthermostat als Kapillarthermostat).
Das bedeutet praktisch:

1) Es wird eigentlich die Kessel- und Brühgruppetemperatur geregelt. Es macht aber Sinn, da die thermische Kapazität von dem Kesselmantel samt Brühgruppe ist doppelt so hoch, wie die des sich im Kessel befindlichen Wassers und 3mal so hoch, wie die der Menge Wasser, die man für ein Doppio braucht. Das Wasser muss beim Bezug durch ein Kanal im an den Kessel angeflanschtem und gesättigtem Brühkopf fließen, wo es weitestgehend auf die Temperatur des Außenmantels gebracht wird, also die Temperatur des Metalls ist am Ende ausschlaggebend für die Brühtemperatur. Sie konstant zu halten macht also wirklich mehr Sinn.

2) Die thermische Verbindung zwischen Heizkörper, Kesselwand und Thermofühler ist unabhängig vom Wasserstand im Kessel gewährleistet. Das bedeutet, dass die Heizung der Gaggia nicht kaputt gehen kann, wenn mal das Wasser ausgeht (was nicht heißt, das man das sofort in Langzeitversuch ausprobieren soll). Die Thermostate sind in normalem Betrieb immer in Reihe geschaltet, egal welcher aufmacht wird die Heizung vom Netz getrennt. Also selbst, wenn der Brühwasserthermostat kaputt gehen soll (also die Heizung auf Dauer einschalten), macht spätestens der Dampfthermostat bei 145°C auf. Die Maschine läuft dann zwar zu heiß, aber sie brennt nicht ab. Somit hat man die sgn. doppelte Sicherheit - es müssen gleichzeitig ZWEI Komponenten defekt sein, damit es eine gefährliche Situation entsteht. (Zumindest in dem Betriebszustand, in dem sich die Maschine am meisten unbewacht befindet - Eingeschaltet auf Kaffeetemperatur. Beim Dampfbezug ist dies nicht mehr gegeben, da steht man aber an der Maschine).

Übrigens: Die doppelte Sicherheit fehlt sogar in den meisten 1000€ Zweikreiser, wenn da der Pressostat schlapp macht, kocht der Kessel bis der Sicherheitsventil aufmacht und den Inhalt des Kessels in das Innere der Maschine ablädt. Dann löst ggf. die Niveau-Sonde aus, wenn die Steuerbox noch tut. Da hätte eine 160°C Kapsel für 3€ oben am Kessel auch geholfen.

Zur Sache

Meine Beobachtungen:
- Die Maschine heizt mit ca. 1500W
- Die erste Aufheizphase (von Zimmertemperatur bis die Heizung zum ersten Mal ausgeht) dauert ca. 75s.
- Danach kommt 1:10 Pause, dann 12s heizen, danach pendelt sich die Temperatur ein.
- In eingeschwungenem Zustand heizt die Maschine 11s jede 350s (im Schnitt).

Wer denkt, dass ich ne Stunde mit einer Stoppuhr an der Maschine gestanden bin, darf nochmal raten. Ich war faul, so wie gelangweilt, habe einfach einen Audiorekorder (LS5) hingelegt und nachher die Klicks und Klacks des Thermostats ausgemessen.

Gestoppt habe ich allerdings die Aufheizzeit von Kaffeetemperatur auf Dampftemperatur: 38-40s.

Ich weiß, dass:
mein Zimmer hat 22°C.
der Kaffeethermostat soll bei 105°C schalten.
der Dampfthermostat soll bei 145°C schalten.

Daraus komme ich auf folgende Werte:
- thermische Kapazität des Kesselsystems samt Wasser, im Standby:ca. 1400 J/K -> für Abschätzung thermischen Zeitkonstanten
- die effektive Hysterese des Thermostats für Kaffeewasser: 10..12°C (+/-5..6°C) :shock:
- Verlustleistung im Standby: ca. 50W im Schnitt
- Für's Temperatursurfen: Abkühlgeschwindigkeit der Brühgruppe ca. 2°C/min.
- für einen Doppiobezug ohne Temperaturverlust müsste die Heizung mit ca. 50% Nennleistung während des Bezugs zuheizen, für einen einfachen - mit 25%.
- wer einen elektronischen Regler einbaut und eine Temperaturstabilität von 1°C erwartet, darf keine Zykluszeit länger ca. 30s wählen. Dabei im Leerlauf wird die Heizung jede 30s für ca. 0.9s eingeschaltet um die Verluste zu decken -> bitte kein Relais, nur SSR.
- Im Standby lebt der Thermostat der Gaggia ca. 1 Jahr im Dauerbetrieb (100.000 Schaltzyklen bei Schaltperiode von 6 Minuten ergeben ca. 400 volle 24h Tage). In der Praxis wir der länger leben, da die Belastung unter Nennlast liegt, man soll's aber bedenken, gerade bei älteren Geräten.

--> hier: GaggiaTemperaturen.xls liegt eine Excel-Tabelle mit der ich mir die Sachen ausgerechnet habe. Die mathematischen Zusammenhänge sitzen in dem Excel-Blatt und sollten sonst nachvollziehbar sein.

Anmerkungen:

· die effektive Hysterese ist nicht die vom Hersteller spezifizierte Hysterese des Thermostats, das ist die effektive Hysterese, die auch durch Anbindung des Fühlers, Trägheit der Strecke usw. zustande kommt. Sie berechnet sich aus der thermischen Kapazität des Systems und der Heizenergie, die in einem Zyklus eingebracht wird (10..11s · 1500W / 1350 J/K = 11..12°C).

· die thermische Kapazität berechnet sich aus
- Aufheizphase Raumtemperatur - Kaffetemperatur (1475W · 75s / (105°C - 22°C) = 1335 J/K)
- Aufheizphase Kaffeetemperatur - Dampftemperatur (1440W · 38s / (145°C - 105°C) = 1370 J/K)
beide Werte sind "empfindlich" man soll sie nicht mehr als auf 2 bedeutende Stellen nehmen. Also 1400J/K

· Die Heizleistungen für die thermische Kapazität berechnen sich:
- erste Aufheizphase: hälfte der durchschnittlichen Verlustleistung bei Endtemperatur (Annahme linearer Temperaturanstieg).
- zweite Aufheizphase: Magic. Rechnet selber nach ;-P

Bei Fragen stehe ich Antwort...

Gruß!
Marek

 

AW: Grundsätzliches über Gaggia und Temperaturen, oder ein Ingenieur langweiligt sich

Ich glaube nicht, aber wenn die Temperatur zu stark sinkt, wird der Kaffe nicht so gut, das steht mehr oder minder fest.

Bei der Gaggia - wen die Heizung nicht tun würde - hätte die Temperatur am Ende vom Doppio nur noch ca. 80°C (angenommen Anfangstemperatur um die 95°C) - es wäre ein ∆T von ca. 15°C erwartet. Das Thermostat springt aber an und kompensiert, die Größe und Trägheit im System passen so, dass der bei mir nach ca. Hälfte des Bezugs anspringt und dann 10-15s heizt, der Temperaturverlauf ist dann irgendwie ein Zick-Zack, bei weitem aber nicht so schlimm, wie es rein rechnerisch aussieht.

Ich denke das größte Manko dieser Konstruktion (besser gesagt: ein Kompromiss) ist die instabile Anfangstemperatur, die recht weit schwanken kann. Das war damals nicht zu vermeiden, man wollte, dass die Maschine selbst unter hartem täglichem Einsatz mehrere Jahre hält. Je genauer man die Temperatur halten will, desto öfters muss man die Heizung schalten, aber ein mechanisches Thermostat hat ja eine begrenzte Lebensdauer, so typisch um die 100.000 Zyklen. Schaltet man zu oft, stirbt der Thermostat schneller. Man könnte die Heizung deutlich kleiner dimensionieren (100W statt 1500) und so die Schwankung halbieren (jetzt ist die Temperatur ein Sägezahn |\|\|\, bei kleinerer Heizung wäre sie /\/\/\/\ = bei gleicher Schaltfrequenz wären die Spitzen kleiner), aber dann wäre die Maschine elend lang beim Aufheizen brauchen und das Doppio wäre kalt am Ausguss.

Ich muss zugeben, ohne heutiger Halbleitertechnik sehe ich keinen Weg, die Maschine eindeutig besser zu bauen, zumindest in der Größe. Ein Pressostat erlaubt engere Temperaturtoleranz, aber das geht nur, wenn man den Kessel deutlich größer macht, sonst geht der Pressostat den gleichen Weg, wie ein eng schaltender Thermostat (lebt gut aber kurz). Dann sind wir von der Baugröße aber bei Domobar und nicht bei Baby, das Abkühlen nach dem Dampfen kostet entweder deutlich mehr Zeit oder deutlich mehr Wasser und und und...

Marek

 

AW: Grundsätzliches über Gaggia und Temperaturen, oder ein Ingenieur langweiligt sich

16 Jahre · 365 Tage · 10h = 58400 Betriebsstunden.
Bei meinem Schaltzyklus wärst Du bei ca. 500.000 Zyklen.
Du hat aber wahrscheinlich den Kapillarthermostat, der hat erstens einen Mikroschalter drin und zweitens ist er AFAIK auf 16A bei resistiver Belastung ausgelegt, wir schalten 6.5A. Kennlinien für diesen Schalter hat natürlich keiner, aber pi mal Daumen kann man davon ausgehen, dass bis 1Mio Zyklen ist rauszukitzeln, wenn bei Nennstrom 100.000 angegeben werden und man vom Nennstrom auf "optimum" runtergeht (so viel, dass die Kontakte sauber freibrennen, aber nicht ausbrennen).

Ich habe es mir überlegt, aber die Zeitkonstante ist sehr kurz. Ein Bisschen mildert es ab, man bedenke das erste Zyklus nach dem Aufheizen ist schon bei 1m:15s oder so, wenn die Zielzeit bei 5:50 ist. Da ist die Zeitkonstante der Brühgruppe vielleicht bei 15 Minuten. ABER das Meiste der Zeitkonstante ist nicht das Duschsieb, da die Gruppe ans Kessel angeflanscht ist und aus der Wärmekapazität kommt gut 1kg Alu raus, also mehr, als der Kessel alleine, sprich die BG ist gut - zu gut - angekoppelt. Die Verzögerung passt (vom Gefühl her, ohne es nachgerechnet zu haben) zu dem 0.5kg Messing was als Siebträger unten hängt...

Also ein Bisschen hilft die Gruppe, aber weniger, als man hoffen könnte.
Ich muss mir einen kleinen K-Fühler holen und den in ein Paar Löcher einstecken...

Gruß!
Marek

 

AW: Grundsätzliches über Gaggia und Temperaturen, oder ein Ingenieur langweiligt sich

Nur, wenn das die Kapsel ist, das Kapillarding hab ich nirgendwo als Ersatzteil gesehen...
Soll meiner den Geist aufgeben, kommt da ein Pt100 rein, dann ein eng schaltender Zweipunktregler dazu. But never change...
Marek

 

AW: Grundsätzliches über Gaggia und Temperaturen, oder ein Ingenieur langweiligt sich

Ich denke, jetzt wäre der Zeitpunkt, einen Termofühler in die Dusche zu stecken und zu schauen, was der zeigt...
Und bevor man den Brühkopf trennt, würde ich die Temperaturregelung verbessern, das geht ja heutzutage...

Ich habe schon überlegt, eine Schaltung auf Gaggia zugeschnitten zu bauen, die schnickschnacklos das Thermostat ersetzen würde, samt "Boost"-Schaltung für den Bezug. Macht aber nur Sinn, wenn es sich um mehr als 1 Stück handeln würde.

Aus dem vollen gefräst natürlich
Ich kann's konstruieren, da ist keine große Kunst drin, Messing hält mehr als Alu aus, da kann man quasi einfach abkupfern, aber wer fertigt und zu welchem Preis?...


Gruß!
Marek

 

AW: Grundsätzliches über Gaggia und Temperaturen, oder ein Ingenieur langweiligt sich

Grob abgeschätzt, Kurzserie wird wahrscheinlich unter 50€/Stk. schwer zu machen (nackte PCB, aber alles dabei, auch SSR), vor Allem Leiterplatten in kleineren Auflagen kosten Geld. Bestückung ist auch ein Thema, niemand stellt mir einen Automaten für 50 PCBs ein, entweder Handbestückung oder sogar kit zum selberlöten...
Insgesamt kommt man an ein PID+SSR billiger.

Ich muss noch an Paar Stellen fragen.

Marek

 

AW: Grundsätzliches über Gaggia und Temperaturen, oder ein Ingenieur langweiligt sich

Ich habe das mir auch überlegt, habe es nicht hingeschrieben, da ich nicht weiß, ob der Schalter für den Bezug das aushält. Von der Schaltung her wäre es möglich, vom Bezugsschalter über eine Diode auf die Heizung zu gehen, allerdings nicht über ein Thermostat. Dies geht nicht ohne die Maschine umzuverkabeln und dann wäre der Heiswasserbezug unmöglich.

Marek

 

AW: Grundsätzliches über Gaggia und Temperaturen, oder ein Ingenieur langweiligt sich

danke!

Das ist so: wir können nur heizen.
Am besten erklärt man das mit einem kleinen Schwimmbecken. Wir wollen genau 50cm Wasserstand drin und zwar schnell. Wir kommen mit einem Feuerwehrschlauch (1,5kW Heizung auf 100ml Wasser) und schießen Wasser rein. Der Pegel steigt schnell an, die Oberfläche wellt, schäumt und schwingt aber, wir können den Pegel nicht genau ablesen. Wir sind schlau, wir messen den Pegel nicht dort, wo der Schlauch reinspritzt, nur an dem anderen Ende des Beckens, wo es sich ein Bisschen beruhigt hat (also Temperaturfühler in der Kesselwand und nicht im Wasser bei der Gaggia), wir können aber nicht ausschließen, dass nachdem wir den Schlauch zugedreht haben und das Wasser sich beruhigt hat, der Wasserstand nicht ein Bisschen zu hoch ist. Nun, wenn kein Wasser abfließt, sind wir in einer recht bescheidenen Situation, wir können nur nachkippen, aber nicht ausschöpfen. Aus diesem Grund brauchen wir ein Abfluss, je größer, je grober unsere Mess- und Stellmethoden.

Die Kesselisolierung beiinflusst die Länge des Stellzykluses und somit die Regelgeschwindigkeit, aber nicht die Regelgenauigkeit. Eine zu gute Isolierung bedeutet, dass bei ideal ausgelegten Regelung wir länger brauchen, auf Störungen (z.B. Bezug) zu reagieren. Die Maschine wird langsamer (aber sparsamer).

Das zweite Thema ist genau das: Stellmethoden, Stellgrößen. Man sieht die Versuche, genau zu messen und zwar die wichtige Größen. Der erste Fehler, der oft begangen wird, ist die Streckendynamik zu ignorieren.
Wenn ich ein Schüssel Pudding über den Tisch schiebe und jemand den Schüssel fängt, dann steht die Schüssel zwar fest, Pudding wackelt aber weiter. Dagegen kann ich nichts tun. Im Durchschnitt bewegt sich der Pudding nirgendwo hin, es wackelt aber.
Wenn ich es versuche, die Schüssel am Pudding zu greifen und anzuhalten, ich halte zwar ein Stückchen Pudding fest, rundum gibt's aber ne richtige Sauerei. Für uns bedeutet es: es wäre zwar schön, WASSER genau auf Temperatur zu haben, die Temperatur im Kessel ist aber nicht homogen, beim Heizen zirkuliert das Wasser, es strömt manchmal Wasser dazu, wenn wir an einem Punkt IM WASSER messen, ist das etwa gleich guter Versuch, wie den Pudding an die Wand zu nageln. Wir können nur versuchen, die MITTLERE Temperatur zu regeln.

Ein Pressostat macht das: der Dampfdruck hängt am meisten (Zirkulation/Konvektion im Kessel vorausgesetzt) von der mittleren Temperatur im Kessel ab. Ein HX bringt uns den weiteren Vorteil, da das zu erhitzende Wasser quer durch Kessel muss und nimmt dann - auch bei inhomogener Temperaturverteilung - etwa die durchschnittliche Temperatur an. Ein Termosiphon bewirkt das auch: das zirkulierende Wasser schwankt aber von der Temperatur her, die Masse des Brühkopfs mittelt die Temperatur aber.

Bei Gaggia messen wir die Kesselwandtemperatur, da sie am besten die durchschnittliche Temperatur im Kessel widerspiegelt. Das ist etwa das festhalten der Schüssel. Wir können den Pudding nicht festhalten, aber wir können nur ganz wenig Pudding reinfüllen, dann wackelt er auch nicht so stark (100ml Wasser in 1kg Metall). Wir haben kein HX und keine entkoppelte Gruppe, also wir haben generell schlechtere Karten, aber wir machen das beste daraus.

Nein, das Wasser wird nicht perfekt durchmischt, das brauchen wir aber nicht. Hauptsache das einströmende Wasser uns die Metallmasse nicht abkühlt.

Das würde die Maschine teurer und anfälliger machen. Man kann alles verbessern indem man mehr Technik reinpackt, die Kunst ist aber mit minimalen Mittel maximales Nutzen zu erzeugen. Die E61 ist älter wie die Gaggias, man hat schon Mittel gekannt und Lösungen entwickelt gehabt, man wollte aber kleiner, billiger und freundlicher. Ich behaupte der vorgeschaltete Thermoblock würde keinen bedeutenden Vorteil gegenüber nachheizen mit dem Kessel bringen.

Das wichtigste wäre:
- die Heizung mit kleiner Hysterese (und guter Schaltfestigkeit) - heute machbar zu den Kosten, damals schwer.
- das Wissen über die Strecke ausnutzen und beim Bezug nachheizen (das tut aber nur einem Barista gut, der seine Technik beherrscht. Bei undefinierten Durchlaufzeiten und Bezugsmengen bringt das aber keine Verbesserung, der Thermostat ist in dieser Zeit auch aktiv).

Gruß!
Marek

 

AW: Grundsätzliches über Gaggia und Temperaturen, oder ein Ingenieur langweiligt sich

Im Fall von Gaggia wäre es recht trivial.
Sie hat 2 Heizspiralen, die normalerweise parallel geschaltet sind.

Für 50%:
a) nur eine zuschalten. Elektrisch trivial, heizt den Kessel einseitig, soll aber trotzdem OK sein
b) durch eine Diode - unschön für das Netz, aber recht einfach, heizen beide
c) durch zwei Dioden: in eine Stromrichtung eine Spirale in die andere Stromrichtung die andere. Schönste, wenn auch aufwendigste Lösung.

Für 25%: Spiralen in Reihe schalten.

In der Praxis die oben angeführte Lösungen würde man heutzutage mit einer Gruppensteuerung ersetzen, also in kurzen Zeitabständen die Spiralen ein- und ausschalten. Z.b. 1s an 3s aus = 25% Leistung, 2s an 2s aus = 50% Leistung.

Marek

 

AW: Grundsätzliches über Gaggia und Temperaturen, oder ein Ingenieur langweiligt sich

gunnar0815: Doppelte Sicherheit. Hat sie nicht noch ein Überhitzschutzschalter drin?

Die alte hat ihn nicht, die aktuelle scheint einen zu haben, also dreifache Sicherheit ;-)
Boilermaschinen haben prinzipiell einen, der dient aber dem Brandschutz und schützt die Heizung nur sekundär.

Gruß!
Marek