Thermisches Konzept

Die Kupfer-Wärmebrücke

Die Wärmebrücke ist ein ganz zentraler Teil im Gesamtkonzept der Xenia. Sie wird aus Kupfer (Cu-ETP) gefertigt und verbindet und hält Brühgruppe und Kessel.

Die Brühgruppe wird thermisch mit dem Kessel synchronisiert und profitiert von der sehr gleichmäßigen Wärmeentwicklung des Kessels. Genau genommen ist die Kupfer-Wärmebrücke ein wichtiger Grund für die gute Temperaturstabilität.

Beheizte Brühgruppe

Für Espressomaschinen gibt es eine Reihe von guten Brühgruppen/Konzepten. Am bekanntesten ist die E61 Brühgruppe. Da die E61 jedoch nicht so steuerbar ist, wie wir uns das wünschen, haben wir ein etwas anderes Konzept bevorzugt.

Die Idee der E61 die Wärme des Kessels zu nutzen ist bei unserer Brühgruppe aber geblieben. Das Medium ist dabei nicht Wasser, sondern solides 6 mm starkes Kupfer. Damit ergibt sich auch ein weiterer Vorteil, der je nach Wohnort zum Tragen kommt: die Brühgruppe kann in diesem Bereich nicht verkalken. Und sie ist nicht so wuchtig, wodurch die ganze Maschine schlanker wirkt und leichter wird.

Neben der Kupferbrücke, die vor allem für hohe thermische Konstanz sorgt, kann die Brühgruppe der Maschine zusätzlich über 2 Heizpatronen beheizt werden. Heizpatronen haben den Vorteil, dass sie den Körper der Brühgruppe sehr schnell auf die gewünschte Temperatur bringen. Im Laufe der Zeit übernimmt dann die Kupferbrücke das ‚Halten auf Temperatur‘ und die Heizpatronen werden nur bei Bedarf aktiviert.

Mit 2 x 100 Watt (und einem gezielten kurzzeitigen Überheizen durch die Software der arduinobasieren Steuereinheit) erreicht die Brühgruppe der Maschine etwa nach ~12 Minuten die gewünschte Temperatur.

Die Heizpatronen gibt es wahlweise mit 150 Watt (Reduzierung der Startzeit um ca. 3 Minuten).

Sie sind so ausgeführt, dass sie sich (analog zur Wärmebrücke) fast über die ganz Länge erstrecken (70mm) und so eine gleichmäßige Erwärmung gewährleisten. Gesteuert werden sie wahlweise über ein bei vielen Maschinen übliches Einschraubthermostat oder einen hochwertigen PID-Regler.

 

Wärmetauscher

 

 

2-Kreis-Espressomaschinen haben den kleinen Nachteil, dass der Wärmetauscher (HX) in ständigem Kontakt mit dem heissen Kesselwasser ist und stets mit Wasser gefüllt ist. Wärmetauscher können bei gängigen Maschinen durchaus ein Volumen von bis zu 400 ml Wasser haben. Damit beginnt ein Bezug immer mit zu heissem Wasser (und ggf. auch Wasser von der letzten Verwendung der Maschine). Unter anderem deswegen wird oft in Internetforen ein Coolingflush vor einem Bezug empfohlen, der das zu heisse Wasser weitestgehend entfernt.

 

Ein weiterer Nachteil ist, dass bei der hohen Temperatur besonders viel Kalk aus dem stehenden Wasser ausfällt (wenn man kalkhaltiges Wasser hat) und den Wärmetauscher nach und nach zusetzt.

 

Mit einer Änderung im Aufbau ist dieses Problem jedoch vermeidbar. Dazu wird das ableitende 3-Wege-Ventil nicht nach dem Wärmetauscher auf dem Weg zur Brühgruppe eingebaut, sondern unter den Kessel. Deswegen kann der Wärmetauscher als schlankes Rohr von oben nach unten durch den Kessel geführt werden.

 

Nach dem Kaffee-Bezug öffnet das 3-Wege-Ventil und alles Wasser läuft aus der Brühgruppe und dem Wärmetauscher aus der Maschine.

 

Die Vorteile sind:

 

  • Es gibt kein Wasser im Wärmetauscher, das überhitzt. Beginnt ein Bezug, dann wird ausschließlich das ca. 20° warme Wasser aus dem Tank über den Wärmetauscher in die Brühgruppe gepumpt und immer gleichmäßig über den gesamten Bezug erhitzt.
  • Es fällt aus dem stehenden Wasser kein Kalk aus, der den Wärmetauscher nach und nach verkalken kann.
  • Der Wärmetauscher kann sehr dünn sein und damit sehr gleichmäßig alles durchfliessende Wasser aufheizen.
  • Es ist immer frisches Wasser, dass bezogen wird (und nicht Wasser vom Vortag aus einem einige 100ml großen konventionellen Wärmetauscher).
  • Der Weg nach dem Wärmetauscher zur Brühgruppe (BG) ist extrem kurz, weil kein 3-Wege-Ventil mehr nach dem HX verbaut werden muss. Dadurch kühlt das Wasser nicht mehr ab. Und es wird kein Raum rechts neben dem Kessel für die Installation der 3-Wege-Ventiles verschwendet, der zukünftig gut für einen 2. Brühkessel verwendet werden könnte. 

 

Die wesentliche Idee

Üblicherweise durchfliesst das Wasser die Brühgruppe ungehindert auf dem kürzesten Weg. Da die Brühgruppe der Xenia durch die Wärmebrücke eine sehr konstante und gleichmäßige Temperatur und einen relative langen Wasserweg hat, wurde überlegt, ob die Brühgruppe geeignet wäre, der Temperatur des einströmenden Wasser den letzten Schliff zu geben.

Die Messungen zeigen, dass die Temperatur des ausströmenden Wasser in einem vertretbaren Bereich schwankt. Hier die Kurve der (unmodifizierten) Xenia (rot) und einer anderen Maschine (blau):

Es wurde dann eine Art Turbulator in die Brühgruppe eingebaut, der die Oberfläche im Kanal vergrößert und für Verwirbelungen bei dem durchströmenden Wasser sorgt.

Der Einfluss der Maßnahme hatte eine deutlich positive Auswirkung auf die Schwankung der Temperatur.

Mit den Resultaten dieser Messung zeigte sich, dass diese Maßnahme sinnvoll ist und die Schwankungen der Messkurve deutlich glättet und dass man über die Brühgruppe innerhalb gewisser Grenzen noch einmal Einfluss auf die Temperatur nehmen kann (z Bsp. über Heizpatronen und einen PT100-Sensor).