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thermischer Ausgleich

Ab der Firmware Version 1.3.14 verfügt die Xenia einen eigenen Bezugsmodus für doppelte Bezüge (2er Sieb). Da so ein Modus bisher nicht angeboten wurde, soll das ‚Warum‘ erklärt werden. Es geht dabei – einfach gesprochen – um einen thermischen Ausgleich.

Der Temperaturverlauf in der Brühgruppe bei Verwendung des 1er Siebes läuft in der Regel so:

Man erkennt, dass es kaum eine Änderung der Temperatur in der Brühgruppe während des Bezuges gibt. Die 1er Bezüge bewirken zum Ende hin einen ganz leichten und gewollten Anstieg der Temperatur in der Gruppe, der innerhalb von ganz kurzer Zeit wieder abgebaut wird.

Ein doppelter Bezug läuft zum Teil anders:

Hier sind die Kurven der Brühgruppentemperatur für den 1er- und 2er-Bezug übereinandergelegt:

Man kann erkennen, dass ungefähr 10 Sekunden die Brühgruppentemperatur des 2er Bezuges parallel zum 1er Bezug verläuft. Während ab diesem Zeitpunkt die Temperatur beim 1er Bezuges ziemlich konstant bleibt, sinkt die Brühgruppentemperatur beim 2er Bezug leicht, um dann erst einmal auf diesem Niveau zu verharren und nach und nach durch die Wärme aus Kessel über die Wärmebrücke aus Kupfer wieder anzusteigen.

Zu den Messungen muss man insgesamt sagen, dass sie von Bezug zu Bezug leicht unterschiedlich sein können, was u.a. an der Bezugsmenge hängen kann. So kann es auch sein, dass die Bezugstemperatur des 1er-Bezuges in der Mitte ganz leicht um 0,2“C oder 0,3 °C sinken kann, um dann sofort wieder anzusteigen.

Um zu erklären, wie der Unterschied entsteht und was zum Ausgleich getan werden kann, muss man sich anschauen, was beim Bezug passiert.

Zuerst wird dazu der Aufbau der Maschine erklärt: Der Wärmetauscher (HX) der Xenia ist nicht ein großes Tauchrohr in dem Wasser steht, sondern ein schlankes, massearmes Kupferrohr, das vertikal durch den Kessel geht und nach dem Bezug weitestgehend entleert wird (deswegen ist ein Cooling Flush bei der Xenia nicht nötig). Dieses Rohr hat eine bestimmte Länge und Form und beides wurde experimentell ermittelt. Einige Dutzend Kilo Espressoröstungen wurden dafür schweren Herzens geopfert (Espresso Americano und monsooned Malabar). Anfänglich wurde mit einem Scace gemessen um eine grober Richtung zu finden.
Zur besseren Abstimmung des Wärmetauschers kam die weiter unten beschriebene Messung mit Sensoren im Siebträger dazu.

Das wichtigste und entscheidende Kriterium war und wird natürlich der Geschmack sein und bleiben. Aus einer Messkurve kann man nie auf einen guten oder schlechten Geschmack schließen. Trotzdem ist es sinnvoll über Messungen zu schauen, ob die Maschine auch nach mehreren Bezügen in dem Temperaturbereich bleibt.

Hier sieht man links der gesamte Aufbau der Maschine (mit einem rot eingefärbten HX und ausgeblendeter Kesselwand).

Die folgende Beschreibung teilt den Bezug zum besseren Verständnis in 3 Phasen auf.

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.

 

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:

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.

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.

 

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 (siehen oben).

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. Der Zeitpunkt ist im Bild nebenan mit einem Kreis markiert.

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

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 links im Bild erkennen.

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.

Nun geht es um die Betrachtung der Bezugskurven – eine andere Betrachtung der gleichen oben beschrieben Vorgänge. 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.

Im oberen Bild sind alle 5 Bezüge dagestellt und im unteren Bild ein Durchschnitt, weil es die folgende Betrachtung leicher macht.

 

 

Dazu die Messung mit dem doppelten Sieb (Bezugsstart: Kippschalter nach links = Zuheizen beim Bezug).
Es sind wieder alle Bezugskurven und ein Durchschnitt dargestellt.

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

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 links die Messkurven des Sensors in der Brühgruppe.

Die Kurven der Durchschnittswerte der Messung in der Brühgruppe übereinandergelegt.

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 oben gezeigten augenscheinlichen Unterschiede.

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 links die Messkurven des Sensors in der Brühgruppe.

Die Kurven der Durchschnittswerte der Messung in der Brühgruppe übereinandergelegt.

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 oben gezeigten augenscheinlichen Unterschiede.

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:

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 später noch einmal leicht verändert wurde:

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.

Fazit

Das Dazuheizen beim doppelten Bezug ist eine durchaus sinnvolle Maßnahme bei einer Maschine mit Wäremtauscher (auch Zweikreiser genannt). Man kann den Nutzen über Messungen nachweisen, erkennt ihn aber auch Anhand der Färbung der Espressi (die dann der Färbung der 1er Bezüge gleicht).

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