[Vorstellung] Xenia 2018

Phase 1:
Bei jedem Bezug wird immer Wasser in Zimmertemperatur aus dem Tank in den heißen HX gepumpt und dabei erwärmen sich die ersten Milliliter Wasser sehr stark – obwohl das Wasser ungebremst und damit sehr schnell durch den HX läuft und vergleichsweise wenig Zeit hat, Wärme aufzunehmen.

Bild 030.2

Die ersten paar Milliliter nehmen also relativ viel Wärme auf und treffen nach wenigen Sekunden nach dem Start auf die Brühgruppe. Man kann davon ausgehen, dass dieses Wasser heißer als die Brühgruppe ist. Durch die Konstruktion der Brühgruppe wird dieser Wärmeüberschuß zumindest zu einem größeren Teil an die Brühgruppe abgegeben und dort gespeichert und man kann das auch in einigen Messkurven sehen. In der Messkurve der Brühgruppe sieht man recht häufig zu Beginn einen kleinen und kurzen Ausschlag um 0,1°C nach oben:

Bild 030.3

Vermutlich bewirkt diesen kleinen Anstieg die kleine, etwas heißere ‚ersten‘ Menge Wassers aus dem HX, das dabei etwas abkühlt.

Phase 2:
Direkt danach folgend weitere Milliliter, die auch mit gleich hoher Geschwindigkeit durch den HX gepumpt werden (weil das Wasser ‚weiter oben‘ noch nicht durch die Brühgruppe bzw. später durch das Kaffeemehl gebremst wird). Diese Milliliter werden vermutlich weniger Wärme als die ersten Milliliter mitnehmen.

Im folgenden Bild soll das anhand von unterschiedlichen Blaufärbungen visualisiert werden:

Bild 030.4

Es ist wahrscheinlich, dass dieses Wasser unter der Brühgruppentemperatur liegt. Das bedeutet dass diesmal die Brühgruppe Wärme an das Wasser abgibt. Da kurz zuvor Wärme der Brühgruppe zugeführt wurde, ist das nicht weiter schädlich – es wirkt eher ausgleichend.

Bis zu diesem Zeitpunkt (genauer gesagt: das erste Wasser trifft auf das Kaffeemehl) ist das Geschehen beim 1er und 2er Bezug absolut gleich, da die Flussrate (fast ganz) beim Maximum der Pumpe in Verbindung mit den Querschnitten der Rohre ist.

Phase 3:
Wenn das Wasser beginnt das Kaffeemehl zu durchtränken wird es zwischen dem 1er- und 2er-Bezug Unterschiede geben – irgendwann zwischen 10 und 15 Sekunden. Beim 1er-Bezug wird die Flussrate bei ca. 1ml/Sekunde sein und beim doppelten Bezug fließen ca. 2ml pro Sekunde.

Bild 030.5

Da bei dem doppelten Bezug in der gleichen Zeit die doppelte Menge durch den HX fließen, nimmt das Wasser in Phase 3 beim Bezug weniger Wärme im Vergleich zum 1er-Bezug auf – denn es fließt mit der doppelten Geschwindigkeit. Damit kommt das Wasser beim 2er-Bezug etwas kühler als das Wasser des 1er Bezuges in der Brühgruppe an – und entzieht der Gruppe Wärme. So ist beim 2er-Bezug die Brühgruppe am Ende etwas kühler (Bild 020.0).

Der negative Effekt ist, dass die Gruppe beim nächsten Bezug etwas kühler ist. Tendenziell läuft dieser Bezug dann auch etwas kühler – je eher der folgende Bezug gestartet wird, desto mehr. Dieser Auskühlungseffekt ist aber nicht endlos, so dass man es mit genügend doppelten Bezügen schaffen könnte, die Brühgruppentemperatur um zum Beispiel 50°C zu senken. Auch wenn das schneller laufende Wasser beim doppelten Bezug weniger Wärme aufnimmt, ist es jedoch nicht sehr wenig Wärme, die es aufnimmt. Diese Wassertemperatur beim Verlassen des HX liegt nicht weit unter der Brühgruppentemperatur und ist somit die untere Grenze für ein Absinken.

Wenn man sich nun ganz weit von den gewünschten 50ml beim doppelten Bezug entfernt, würde das Wasser aufgrund der geringen Verweildauer im HX jedoch kühler als geplant werden. In diesem Fall wird unterhalb von ca. 89°C das Thermostat anspringen und die Brühgruppe auf ca. 92°C anheben (quasi der Schümlimodus der Xenia). Diese Aktion dauert wenige Sekunden und wird durch die LED der Brühgruppe dem Benutzer angezeigt.

 

Dem Auskühlen der Gruppe beim 2er Bezug kann man mit den Heizpatronen wirkungsvoll während Bezugs entgegensteuern. Da es ganz gut reproduzierbar ist, kann man den Zeitpunkt bestimmen, an dem etwas Wärme zugeführt werden muss.

Bild 011.2

Weil die Wärme sich etwas ausbreiten muss, muss an die Brühgruppenheizungen zum Ausgleich etwas früher aktivieren (ca. 3 Sekunden davor).

Die positive Auswirkung auf die Brühgruppe kann man in den Messkurven erkennen:

Bild 050

Nun ist der Verlauf wie beim 1er-Bezug: Ziemlich gerade und mit der Tendenz zu einem leichtem Anstieg am Ende.

Im Prinzip ginge auch ein Nachheizen über die Kesselheizung, die beim 2er-Bezug früher als bei 1er-Bezug anspringt (bzw anspringen würde, wenn wir das nicht unterbinden würden) - denn der HX entzieht aufgrund des Mehr an durchlaufenden Wassers dem Kessels auch mehr Wärme und damit sinkt der Kesseldruck stärker und das löst den Pressotaten eher aus, der dann die Kesselheizung aktiviert.

Für die Korrektur des Bezuges ist das jedoch zu spät. Im Gegenteil: Die starke Kesselheizung wird das Wasser am Ende des Bezuges sehr stark aufheizen so dass dann sehr heisses Wasser in die Gruppe fließt und diese deutlich überhitzt.

Trotzdem aktivieren wir die Kesselheizung während des Bezugs, jedoch nur ganz kurz und in gleichmäßigen Abständen. Der Vorteil ist dabei, dass der Kesseldruck während des Bezugs nicht stark absinkt, so dass nach oder während dem Bezug auch gleich geschäumt werden kann. Durch das nur ganz kurze Aktivieren der Heizung wird der zuvor beschriebene deutliche Temperatursprung im Brühwasser jedoch vermieden.

Fazit: Diese positiven Effekte verändern den Bezug von Espresso nicht grundlegend. Es geht mehr um einen Ausgleich bei unterschiedlicher Flussrate. Der nun in die Firmware 1.3.x eingebaute Modus ist ein nützliches und kostenfreies Nebenprodukt dieser Erkenntnis und wurde in Form eines optionalen Updates den Kunden zur Verfügung gestellt.

 

Teil 2

Nun geht es um die Betrachtung der Bezugskurven. Wenn der Wärmeausgleich mit der neuen Firmware funktioniert, sollten die Messkurven im Kaffeemehl beim 1er- und 2er-Bezug sehr ähnlich sein.

Im Gegensatz zu Teil 1 (bei dem einzelnen Messungen genutzt wurden) werden hier Durchschnittswerte genutzt. Die Bezüge wurden 2fach aufgezeichnet: über den Datenlogger und als Video.

Hier sieht man mehrere dieser Bezüge (Messung im Kaffemehl), die mit dem 1er Siebträger in kurzen Abständen (max. 2 min) durchgeführt wurden.

Bild 060.0 und 060.1 / Video A1 / Maschine 278 Edelstahl spiegelnd, 2x150W, schw. Symbole, weisse Manometer

Der Durchschnitt sieht dann so aus:

_060.1 erstellt von Iskanda, 18.08.2018 um 18:51 Uhr

Dazu die Messung mit dem doppelten Sieb (Bezugsstart: Kippschalter nach links = Zuheizen beim Bezug):

Bild 060.2 / Bild 060.3 / Video A2

Legt man die Kurven der Durchschnittswerte übereinander kann man eine Ähnlichkeit im Verlauf, aber auch eine Abweichung erkennen:

Bild 060.4

Der unterschiedliche Verlauf wird – wie wir mittlerweile wissen - dadurch hervorgerufen, dass der Sensor der 2er-Siebes tiefer sitzt. Damit erreicht das Wasser den Sensor beim 2er-Sieb später. Und es gibt es eine größere Menge Kaffeemehl, das anfangs mehr Wärme aufnimmt.

Da die Temperaturverläufe in der Brühgruppe beim 1er- und 2er-Bezug fast identisch sind, kann man als weiteres Indiz ansehen. Hier die Messkurven (einzeln und im Durchschnitt):

Der Vollständigkeit halber die Messkurven des Sensors in der Brühgruppe:
Bild 070.0


Bild 070.1


Die Kurven der Durchschnittswerte der Messung in der Brühgruppe übereinandergelegt:

Bild 070.2

Wie oben erläutert, zeigt die Temperaturentwicklung in der Gruppe an, ob Wärme an das Brühwasser abgegeben wird bzw. ob das Brühwasser mehr Wärme aus dem HX mitbringt. Aus den Kurven kann man ganz gut schließen das bei 1er und 2er-Bezügen in etwa das gleiche warme Wasser fließt und dass damit die Bezüge in dieser Hinsicht gleich verlaufen – trotz der Unterschiede in Bild 060.4.

 

Es erscheint plausibel dass es nun mehr keine oder kaum Unterschiede gibt, aber diese Annahmen solten nachträglich überprüft werden.

Wir haben eine Bezugsmessung für einen 1er-Bezug mit der doppelten Flussrate und mit dem Umlegen des Schalters nach links durchführt (Zuheizen beim doppelten Bezug). Damit ist (1) vor dem Sensor die gleiche Wärme absorbierende Menge Kaffeemehl wie beim echten 1er-Bezug und (2) der Sensor ist in der gleichen Höhe wie beim 1er Bezug – nur fliesst die doppelte Menge Wasser.

Bild 070.3

Die rote Kurve ist der doppelte Bezug unter ‚1er-Bedingungen‘ und man kann klar erkennen warum in der Kurve von „Bild 060.2“ die Bezüge einen unterschiedlichen Anstieg haben: es liegt ausschließlich an der Position des Sensors, denn nun sind die Verläufe fast gleich.

Anmerkungen:
Der leicht höhere Temperaturverlauf wird daher kommen, dass die ‚blaue‘ Kurve bei ca 20° Raumtemperatur und die rote Kurve (5 Wochen später) bei ~28° durchgeführt wurde.
Der Abfall am Ende der roten Kurve nach ca 45 Sekunden kommt nur daher, dass der Siebträger früher ausgeklopft wurde.



Zum Abschluß noch die (verkürzte) Auswertung der Messungen bei unterschiedlichem Kesseldruck: Wenn man sich nun die Kurven im Vergleich von 1,1 bar zu 1,2 bar Kesseldruck ansieht, kann man den Versatz nach unten (im Fall von 1,1) erkennen.

En geringerer Kesseldruck bewirkt also recht synchron eine geringere Temperatur in der Gruppe und im Bezug.

Bild 080.0 / Video B1 und B2

 

Art der Durchführung der Messungen

Es wird den einen oder anderen sicher interessieren, wie gemessen wurde und ob die Messungen vergleichbar sind. Vorweg: Mit Messungen an anderen Maschinen sind sie kaum vergleichbar und das ist auch nicht das Ziel.

Die Maschinen werden bei Auslieferung auf eine Ruhetemperatur von rund 92 °C in der Brühgruppe eingestellt. Dazu lassen wir die Maschinen 1 Stunde laufen und messen die Temperatur mit einem Messfühler an einer bestimmten Stelle:

Bild 090

Je nach Ergebnis setzen wir 1-4 Gewindestücke aus Kupfer in die Wärmebrücke ein, um ggf. die Ruhetemperatur anzuheben.

Diese Ruhetemperatur ist jedoch nicht absolut und kann abweichen – je nach äußeren Einflüssen. Eine Maschine, die an einer zugigen Stelle steht, wird etwas kühler sein, als eine Maschine, die in einer Ecke unter Hängeschränken steht. Die Umgebungstemperatur hat einen Einfluss: Im Sommer ist die Ruhetemperatur etwas höher, als im Winter. Es macht auch einen erheblichen Unterschied, ob der Siebträger die meiste Zeit eingespannt ist oder nicht. Ist er beim Aufheizen nicht eingespannt, wird die Ruhetemperatur ohne Siebträger nach 1 Stunde ungefähr 2° höher liegen, als bei einer Maschine, bei der Siebträger von Beginn an eingespannt war. Spannt man dann eine kalten Siebträger ein, wird die Brühgruppentemperatur vorrübergehend um einige Grad sinken.

Zum Aufzeichnen der Messwerte wurde ein 4-Kanal-Datenlogger genutzt, der im Sekundentakt Messwerte in einer CSV-Datei ablegt.

Mit einem Sensor zeichnen wir die Temperatur in der Brühgruppe auf – wie oben beschrieben an einem Punkt der ganz nah der Stelle ist, an der das Wasser nach unten in die Siebträgeraufnahme fließt (wo der Siebträger mit dem Kaffeemehl sitzt). So kann man sagen, dass diese Messung annähernd die Temperatur des Brühwassers misst (bzw. deren Auswirkungen).

Um in Kaffeemehl zu messen haben wir 2 Siebträger modifiziert. Hier messen wir nicht die Wassertemperatur, sondern eine Temperatur, die alle möglichen Einflüsse berücksichtigt und wir denken, dass wir hier der Praxis relativ nahe kommen.

Hier ein Bild einer Version, die wir später noch einmal etwas verändern mussten:

Beim Tampern hat man immer den Sensor gegen den Boden gedrückt, was dann kurzfristig zum Beschädigen des nicht ganz billigen Fühlers geführt hat. Wir haben den Sensor dann nach unten mit einem dünnen Metallstück abgestützt, was uns noch ok erschien. Eigentlich wollten wir den Sensor vom Siebträger selber abgekoppelt haben, weil sonst immer ein klein wenig die Wärme des Siebträgers Einfluss nimmt. Wir glauben aber, dass der Einfluss sehr gering ist und nur beim 1. Bezug nach langer Standzeit zu einer kleinen Abweichung führt.

Mit beiden Messpunkten haben wir Messwerte direkt vor und nach dem Brühvorgang.

Mit diesen beiden Messmethoden haben wir die Messung mittels eines Scace ersetzt, das nur 2er-Bezüge misst. Ein anderer Grund das Scace zu ersetzen, waren die schwankenden und zum Teil zu hohen Flussraten des Scace und die Tatsache, dass der Kunststoffblock des Scace sich nicht wie Kaffeemehl verhält (u.a. weil er nicht durchtränkt wird).

Für die Messungen war die Mühle so einstellt, dass wir ca 25 ml (bzw. 50ml) in den 30 Sekunden bekommen.

 

Deutung und Schlussfolgerungen

Wir haben überlegt, was wir nun sinnvollereise regeln wollen und können. Ich stelle unsere Schlussfolgerungen in den Raum:

1. Während des Bezug erscheint es uns wenig sinnvoll, einzugreifen (mit einer Ausnahme: siehe Punkt 2). Der Temperaturverlauf ist an sich gut wie die eigenen Erfahrungen und die der Nutzer zeigen. Man kann ja auch nicht sagen, dass zum Beispiel ein leichter Anstieg oder Abfall einen Bezug verbessert.
   
   
2. Wir können aber davon ausgehen, dass eine Anpassung des 2er Bezug noch besser möglich ist, als es bei der jetzigen Firmware 1.3.13 passiert, die nach einem festen Muster Energie dem Brühwasser zuführt
   
   
3. Wir können die Brühgruppe vor dem Bezugsstart kurzfristig anheben und so eine höhere Bezugstemperatur bekommen.
   
   
4. Wir können Temperatur der BG in einem längeren Zeitraum (10-15 min) über den Kesseldruck langfristig senken. Möglicherweise geht das auch innerhalb eines gewissen Rahmens auch kurzfristig, aber das müssen wir erst prüfen.
   
   
5. Wir können einen Temperaturausgleich nach dem Bezug schaffen, sollte die Flussrate hoch gewesen sein und die Brühgruppe zum Ausgleich viel Energie an das Bezugswasser abgegeben haben (was eine Vorbereitung des nächsten Bezugs darstellen würde)
   
   
6. Wir können in den letzten x Sekunden des Bezugs den Kessel hochheizen um sofortiges Schäumen nach dem Bezug vorzubereiten. Wir können den Dampfbezug insgesamt verbessern weil wir auch auf kleine Druckabfälle sofort reagieren können (Schäumen während des Bezugs), was auch einem laufenden Bezug zugutekommen sollte.

Ideen, Einschätzungen und eine konstruktive Diskussion sind willkommen.

 

Der Text ist fertig. Ich muss ihn nur noch einmal Durchlesen um zu schauen, ob beim Zerstücklen zum Posten etwas verlorengegangen ist. Das aber erst morgen.

 

Nein. Das können wir noch einbauen. Aber so schnell wird das vermutlich nicht. Mir fehlt die nächsten Wochen Zeit. Diese Messungen wurden schon vor vielen Wochen gemacht (Juni) und ich habe es jetzt erst geschafft, die Beschreibung fertig zu machen.

Aber sobald Zeit ist, setze ich das noch um.

 

Nein, das ist nicht gut. Unkontrolliert beim Bezug nachheizen ist wenigstens für einen Bezug schlecht. Möglicherweise überheizt man den Kessel. Der ist zwar aus Edelstahl und hält wenigstens bis 10 bar aus. Aber das Sicherheitsventil öffnet ab ca. 1,9 bar.

Aber das hier geht (kontrolliert mitheizen):

 

Ja, das wird gehen.

 

Da geht es nicht (so wie bei jeder anderen Maschine ohne Heizpatronen, die gezielt angesteuert werden).

 

Das ist eine gute Idee.

Oder: Einen Sensor einbauen, der die Flussrate misst. Dann wissen wir schon einige Sekunden vor der Gruppe, was passieren wird.

 

Nein.