Kesselfüllstand einstellen

Darstellung der Zusammenhänge:

• Kesselfüllstand: Energieinhalt des Kessels und Aufheizzeit
• Einflussgrößen für "feuchten und trockenen Dampf"
• Dampffeuchte zum Einstellen des Füllstands

Ausgangspunkt war dieser Thread im kaffee-netz.

Allgemein

• Kesselfüllstand und Dampfleistung
• Was passiert beim Ausströmen des Dampfs aus dem Kessel?
• Weshalb ist der Kesselfüllstand die einzige veränderbare Einflussgröße für die Massenzunahme durch Aufschäumen?
• Weshalb können erfahrene Benutzer mit einer Dampfprobe den Kesselfüllstand einstellen?

Im Kessel befinden sich Wasser und Dampf. Es können nur Zustände herrschen, die im T,s-Diagramm innerhalb der Nassdampfgebiets liegen. Nur hier können Dampf und Wasser gleichzeitig existieren.

Befände sich nur Wasser im Kessel, wäre man auf der linken Grenzlinie des Sattdampfgebiets, befände sich nur Dampf im Kessel wäre man auf der rechten Grenzlinie des Nassdampfgebiets, der sogenannten Sattdampflinie. Im gesamten Nassdampfgebiet gehört zu einer Temperatur ein bestimmter Druck. Dies macht man sich zu nutze und verwendet zur Regelung den schneller und einfacher zu messenden Kesseldruck anstatt der Temperatur, die sich nur lokal messen lässt, während der Druck global im ganzen Kessel gilt.

Wenn wir die beiden Phasen Wasser und Dampf getrennt betrachten, hat der Dampf im betrachteten Bereich (ca. 110° - 125°C) zwar einen etwa drei bis viermal höheren spezifischen Wärmeinhalt gegenüber Umgebungsbedingungen des Wassers bei 20°C und Umgebungsdruck, aber seine Dichte ca. 1000 mal geringer. Deshalb trägt der Dampf im Kessel nur geringfügig zum Energieinhalt bei.

Daumenregel:

• Hoher Füllstand, hoher Energieinhalt des Kessels und damit große Reserve zur Dampfproduktion.
• Niedriger Füllstand: Niedriger Energieinhalt des Kessels und damit schneller abfallender Druck bei Dampfentnahme.

Diese Daten kann man einer Wasserdampftafel entnehmen.

Dampfentnahme

Die Dampfentnahme führt zu einem Absinken des Drucks im Kessel. Da die im ersten Moment entnommene Wassermenge klein gegenüber dem Kesselinhalt ist, anfänglich der Energieinhalt also nur unwesentlich verändert wird, der Kesselinhalt aber nur Zustände passend zu seiner Temperatur einnehmen kann, wird sofort Wasser verdampfen, um den passenden Druck zur Kesseltemperatur wieder herzustellen. Die dafür notwendige Verdampfungsenthalpie wird dabei dem Wasser entzogen, es kommt zu einem Absinken der Kesseltemperatur.

Die Dampfphase verhält sich ohne Beschleunigung beim Durchströmen der Dampflanze und der Dampfdüse entsprechend einer isenthalpen Drosselströmung (siehe waagerechte, grüne Linie im Diagramm). Der Zustand bewegt sich dabei von der Sattdampfkurve (rechte Begrenzung des Nassdampfgebiets) in das Gebiet überhitzten Dampfs. Im idealen Fall behält der Dampf ca. Kesseltemperatur, da im betrachteten Gebiet die Isenthalpen und Isothermen nahezu parallel laufen.

Da der Dampf im Kessel in Ruhe ist, aus der Dampfdüse aber mit einer gewissen Geschwindigkeit austritt, müssen wir vom vorhin betrachteten Fall noch einen Teil des Wärmeinhalts für die Beschleunigung aufwenden. Wir erhalten den Fall einer beschleunigten Strömung mit Enthalpieverlust und Entropiezunahme. Je höher die Beschleunigung in der Düse, desto höher der Feuchteanteil des Dampfs, im allgemeinen Fall wird man auf ca. 3% Wassermasse im Dampfstrom kommen. Siehe rote Kurve im Diagramm

Der Teil der Verdampfungsenthalpie, der zur Beschleunigung der Strömung aufgewendet wurde, steht nicht mehr zur Erwärmung zur Verfügung.

Kondensation

Wie viel Dampf muss ich im Kännchen kondensieren, um mit der Wärme des Dampfs die Milch von Kühlschranktemperatur auf 60° zu erhitzen? In dieser Betrachtung gelten folgende Annahmen:

• Statt Milch wird Wasser im Kännchen erhitzt. Wasser ist besser erforscht, einfacher zu berechnen und wegen des hohen Wasseranteils der Milch ist der Fehler dieser Annahme klein.
• Aus der Dampfdüse tritt (1-Fraktion(Wasser) gesättigter Dampf mit 100°C bei Umgebungsdruck + Fraktion(Wasser) bei 100°C aus.
• Die Verdampfungsenthalpie des austretende Wassers wurde für die Beschleunigung des Dampfs verwendet und steht für die Erhitzung der Milch nicht mehr zur Verfügung.

Wie viel Dampf muss ich dem Kessel entnehmen, um die Milch von Kühlschranktemperatur 4° auf 60°C zu erhitzen?

Wärmemenge zum Erhitzen

Q = Delta(Temp) * c (Spezifische Wärme von Wasser) * m (Masse)
Q = 54K * 2,08 kJ/kgK * 1kg = 112,32 kJ

Welche Menge Kesseldampf muss ich kondensieren und von 100°C auf 60°C abkühlen, um diese Wärmemenge aufzubringen?

Q = m(Dampf) *  [ (1-Fraktion(Wasser) * r (Verdampfungsenthalpie) + c (Spezifische Wärme) * Delta_Temp ] 
m = Q / ( (1-Fraktion(Wasser) *2201,6 [KJ/kg] + 2,08 kJ/kgK * 40K)
m = 112,32 kJ / ( 0,97 * 2201,6 [KJ/kg] + 83 kJ/kg )
m = 112,32 kJ / (2135,5 kJ/kg +  83 kJ/kg ) = 112,32 kJ / 2218,5 [kJ/kg] 
m = 0,050 kg

Oder als Bruchteil

1kg / 0,05 kg = 5 % 

Gesamtkondensat nach Erwärmen in der Milch: 5% kondensierter Dampf.

Durch das Aufschäumen der Milch nimmt die Flüssigkeitsmenge durch Kondensat um ca. 5 % zu.

Kesselfüllstand

Energieinhalt

Der Kesselfüllstand bestimmt den Energieinhalt des aufgeheizten Kessels. Der Dampf leistet aufgrund seiner geringen Dichte nur einen geringen Beitrag dazu.

Aufheizzeit

Ein hoher Füllstand führt entsprechend zu einer längeren Aufheizzeit

Dampffeuchte

Durch die Kesseltemperatur lässt sich der Kondensatanteil im Dampf nur sehr geringfügig verändern, da die Sattdampfkurve keine große Neigung zur Isenthalpen hat. Eine höhere Temperatur bringt keinen nennenswert trockeneren Dampf. Durch hohen Kesselstand dagegen wird mehr Wasser durch den ausströmenden Dampf mitgerissen und erhöht so die Kondensatmenge im Dampf und damit auch in der erwärmten Milch.

Deshalb können erfahrene Benutzer unabhängig von der Kesseltemperatur den Wassergehalt des Dampfs zum Einstellen des Füllstands verwenden.

Da der Energieinhalt des Kessels nahezu proportional zum Kesselfüllstand ist (siehe oben), erhält man mit einem höheren Füllstand eine größere anfängliche Dampfleistung. Bei Zweikreismaschinen ist darauf zu achten, dass der Füllstand bei horizontalem Wärmetauscher nicht soweit fällt, dass der Wärmetauscher nicht mehr bedeckt ist, da sich die Wärmeübertragung von Dampf und Wasser unterscheidet und sich dadurch bei höheren Bezugsraten die Brühtemperatur ändern kann. Bei vertikalem oder schrägem Wärmetauscher muss dieser Effekt immer berücksichtigt werden, da hier immer ein Teil des Wärmetauschers aus der flüssigen Phase heraus ragt und sich beim Ändern des Füllstands eben dieser Teil auch ändert.