Regler Boilerdruck (Labor)

Aus Technische Beeinflussbarkeit der Geschmacksache Kaffee
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Jan Budnick, 15.05.2022 (Abschlussbemerkung)

Im Umfang der jetzigen Abschlussarbeit ist der Boilerdruckregler fertiggestellt. Dieser kann im Bereich 1300 mbar - 1600 mbar eingestellt werden. Der Regler heizt mit ausgewählter Leistung bis zum Erreichen des Solldrucks. Fällt der Druck anschließend mehr als 50 mbar unter den Solldruck, wird die Heizung wieder eingeschaltet (2-Punktregler). In Zukunft soll der Regler jedoch in einen PID-Regler umgewandelt werden.

Beim ersten Aufheizen des Boilers, nach aktivieren des Reglers, kann zwischen 2-Modi gewählt werden. Entweder kann umgepumpt werden und entlüftet oder nur entlüftet. Beides dient der Auflösung der Wasserschichtung im Boiler. Beim Umpumpen wird das Wasser im Boiler zirkuliert, indem es durch die Pumpe läuft. Dabei muss das Dampfventil offen sein, um die eingeschlossene Luft im Boiler zu entfernen. Wenn dieser Modus verwendet wird, ist darauf zu achten, dass die Pumpe ab 55°C mit verminderter Leistung betrieben wird. Bei Erreichen von 95°C wird die Pumpe auf 500 mV gedrosselt und das Dampfventil sowie die Boilerventile geschlossen. Geöffnet wird das Mischwasserrücklaufventil, um Pumpe und Wasserwendel einmal mit Wasser für 10 Sekunden durchzuspülen. Beim Modus Entlüften wird die Pumpe nicht verwendet und die Spülung geschieht erst bei 98°C. Außerdem bleibt das Dampfventil hier während der Spülung noch offen. In beiden Modi bleiben, abgesehen vom Durchspülen, die Wasserwendel und der Boiler dauerhaft miteinander in Verbindung (Ventile offen) um einen Überdruck auf Grund von Wasserexpansion zu verhindern. Es ist wichtig, dass diese Verbindung mit dem Boiler gewährleistet ist, um ein Verdampfen des Wassers in der Wasserwendel auf ein Minimum zu reduzieren. Die Verwendung eines Programms ist in der ersten Aufheizphase deswegen auch nicht möglich. Außerdem bleiben diese Ventile nach einem Bezug wieder offen bis einige Zeit vergangen ist und die Heizung aus ist, um die Wasserexpansion zu kompensieren.

Wie im vorherigen Eintrag erwähnt, scheinen beide Aufheizmodi in ihrer Wirkung ähnlich. Beide brauchen etwa 12 Minuten von 24 °C bis 1300 mbar. Angepeilt sind 10 Minuten.

Jan Budnick 10.05.2022

Es wurde das Aufheizverhalten durch Entlüften und durch Umpumpen untersucht. Das Ergebnis beider Methoden ist nahezu identisch. Die Aufheizzeit und Endtemperatur (122 °C nach 12 Minuten) sind annähernd gleich, lediglich der Temperaturverlauf unterscheidet sich. Beim Umpumpen ist keine Temperaturschichtung zu erkennen, beim Entlüften schon. Dieses wird jedoch nahe dem Siedepunkt aufgebrochen. Wichtig ist nur zu beachten, dass unabhängig der Entschichtungsmethode beim Aufheizen unter dem Siedepunkt entlüftet werden sollte, um die Luft im Boiler zu entfernen. Außerdem sollte nach Erreichen des Betriebsdrucks noch einmal kurz Dampf bezogen werden, dann steigt die Beharrungstemperatur nochmals um etwa 2°C an.

Ein Aufheizen bis zum Siedepunkt dauert etwa 9 Minuten, bis 1300 mbar (etwa 125 °C) 12 Minuten.

12 Minuten sind länger als erwartet. Folgende theoretische Rechnung wurde deswegen gemacht:

2,4 kg*4,2 kJ/kg/°C*(125-100) °C=1008 kJ

(1008 kJ/1,8 kW)/60=9,33 Minuten (Aufheizdauer von 2,4 L Wasser welches 2/3 des 3,6L Boiler Volumens entspricht)

(1,3 kg*0,48 kj/kg/°C*(125-100) °C)/(1,8*60)=0,58 Minuten (Aufheizdauer des Stahlboilers, nur Gefäß mit Deckel)

Insgesamt etwa 10 Minuten. Dazu kommen Wärmeverluste am Boiler, in den Rohrleitungen und etwas Dampf. Außerdem einige weitere nicht mit einberechnete Wärmkapazitäten (Isoliermaterial, Durchsteckverbinder). Wenn man dann einbezieht, dass mehr als 2,4 L im Boiler sein könnten, erscheinen die 12 Minuten realistisch.

Jan Budnick 22.03.2022

Für den manuellen Modus wurde ein einfacher 2-Punkt-Regler implementiert. Dieser funktioniert zuerst in einem Temperaturmodus bis 98 °C. In diesem wird entweder das Wasser die Pumpe zirkuliert oder durch Öffnen des Dampfhahnes zum Kochen gebracht, sodass es einen Temperaturausgleich gibt. Im Pumpbetrieb wird die Pumpe bei 95 °C ausgeschaltet und anschließend weiter geheizt bis 50 mbar unter dem Solldruck. Im Entlüftemodus wird stattdessen der Dampfhahn etwa 8 Sekunden nach erreichen von 98 °C weiter offen gehalten. Ein Einschalten des Boilerreglers ist erst möglich sobald der Boiler aufgefüllt ist und der Füllstandsregler an ist.

Jan Budnick, 14.03.2022

Im manuellen Modus ist ein 2-Punktregler mit Hysterese zu verwenden. Für den automatischen Modus ist erst ein 2-Punktregler vorgesehen, der anschließend in einen PID-Regler umschaltet (I-Anteil wird erst dann aktiviert). Geregelt wird erst die Temperatur bis etwa 98 °C und dann der Druck im einstellbaren Bereich von 1300 bis 1600 mbar. Dabei ist eine Genauigkeit von <50 mbar anzustreben.

Regelungsgröße ist der Boilerdruck und die Boilertemperatur. Stellgröße ist der PWM Duty-Cycle des XSSR gesteuerten Heizelements. Spätestens hier ist eine Entscheidung notwendig, welche Art des Entschichtens verwendet werden soll.

Da der Regler bis zum Betriebspunkt 2-Punkt geregelt wird, muss der PID-Regler prinzipiell nur noch Störgrößenkompensation durchführen.

  1. Störverhalten durch Wärmeübertragung an die Umgebung
  2. Störverhalten durch Kaffee oder Teewasserbezug

Dafür muss folgendermaßen vorgegangen werden:

  1. Sprungantwort bestimmen
  2. Störverhalten aufnehmen
  3. Modell erstellen
  4. PID Tuning durchführen


Jan Budnick, 21.02.2022

Einfache Boilertemperatur bzw. Druckregelung (Zweipunktregler), dafür muss im Vornhinein geprüft werden welche Methode der Entschichtung zu verwenden ist (Pumpen oder Kochen bzw. kurzzeitiges entlüften des Boilers bei Überdruck).

Armin Rohnen, 21.02.2022

Auf der Basis der Abschlussarbeit von Felix Müller [21] soll ein Druckregler für den Boilerdruck realisiert werden. Regelungsgröße ist der Boilerdruck, Stellgröße ist der PWM Duty-Cycle des PWM-Signals mit dem das XSSR des Heizelements gesteuert wird.