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Die Erfindung betrifft ein Dampfentspannungs-System, einen sog. Dampfkollabierer, für einen Heißgetränkeautomaten, insbesondere für Haushaltszwecke, einen entsprechenden Heißgetränkeautomaten sowie ein Verfahren zur Dampfentspannung.
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Bei der Herstellung von Heißgetränken, z.B. in einem Kaffeevollautomaten, wird Wasser erwärmt, wobei oftmals Heißdampf entsteht, und durch eine Getränkezubereitungskammer, z.B. eine Brühkammer für Kaffee, geleitet. Dabei hängt die Qualität des Getränks in der Regel von den Zubereitungsparametern ab. Beispielsweise ist die Temperatur des Wassers bei der Kaffeezubereitung zu verschiedenen Zeitpunkten ausschlaggebend für den Geschmack des Kaffeegetränks.
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DE 10 2017 209 616 A1 beschreibt einen Kaffeevollautomaten mit einem Frischwassertank, einem Kondensator, einer Heizeinrichtung und einem Umschaltventil, die über Fluidleitungen in dieser Reihenfolge miteinander verbunden sind, bei dem das Umschaltventil schaltbar ist, um eine jeweilige Fluidleitung zu einer Brüheinheit, einer Milchaufschäumeinheit oder dem Kondensator zu öffnen oder zu schließen, und bei dem der Kondensator als durchspültes System ausgelegt ist, das einen geschlossenen Flüssigkeitskreislauf über die Heizeinrichtung und das Umschaltventil hinweg zulässt, wenn die Fluidleitung zu dem Kondensator hin geöffnet ist. Die Restenergie eines Brühvorgangs verbleibt dabei oftmals in Form von Dampf nach dem Brühvorgang im System und kann einen nachfolgenden Brühvorgang beeinträchtigen. Eine Kaffeemaschine mit Kondensator ist auch aus
DE 202 17 068 U1 bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Restenergie aus den jeweiligen Zubereitungsvorgängen zu eliminieren, um einen Zubereitungsraum, z.B. einen Brühraum, nicht unkontrolliert zu erwärmen. Dabei entstandenes Kondenswasser sollte überdies abgeführt werden.
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Diese Aufgabe löst das erfindungsgemäße Dampfentspannungs-System für einen Heißgetränkeautomaten, das die folgenden Komponenten umfasst:
- - einen Dampfentspanner mit einem Einlass und einem Auslass,
- - eine Kühleinheit in Form eines Flüssigkeitsreservoirs mit einem Fluideinlass und einem Fluidauslass an seiner - bei bestimmungsgemäßer Positionierung des Dampfentspannungs-Systems - oberen Seite,
- - einen Fluidwiderstand zwischen dem Fluidauslass der Kühleinheit und dem Einlass des Dampfentspanners, so dass ein Fluid unter einem vorbestimmten und definierten Widerstand vom Fluidauslass der Kühleinheit in den Einlass des Dampfentspanners gelangt.
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Das erfindungsgemäße Dampfentspannungs-System ist also eine fluidmechanische Reihenschaltung aus einer Kühleinheit, einem Fluidwiderstand und einem Dampfentspanner, der als Wärmetauscher dient. Der Fluidwiderstand ist besonders bevorzugt ein Lamellenwiderstand, wobei aber auch andere Bauformen Vorteile bringen, wie sie weiter unten genannt sind.
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Die Kühleinheit mit ihrem oben offenen Flüssigkeitsreservoir kann auch als „Wasserschloss“ bezeichnet werden. Insbesondere ist die Kühleinheit in Form eines Siphons geformt, bzw. gemäß dessen Funktion. Das Volumen der Kühleinheit lässt sich geeignet wählen, was weiter unten noch genauer thematisiert wird. Der Füllstand der Kühleinheit sollte im bestimmungsgemäßen Einsatz über alle Heißgetränkeprozesse hinweg konstant gehalten werden, zumindest zu den Zeiten, an denen Dampf in sie einströmt, wobei die Kühleinheit ihre beste Wirkung entfaltet, wenn sie zu mehr als 90% mit Wasser gefüllt ist.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Dampfentspannungs-Systems ist der Druckverlust und die Flächenerhöhung des Dampfs, was durch die Wahl des Fluidwiderstandes, z.B. durch einen Werkstoff mit definierter Geometrie, realisiert wird, wobei zusätzlich noch fluidmechanische Widerstände am Eingang und/oder Ausgang des Dampfentspannungs-Systems vorliegen können. Durch die dadurch mögliche höhere Siedetemperatur, veränderte Strömungsform und längere Verweildauer des Dampfes in dem Dampfentspannungs-System kann es die Energie des Dampfes besser aufnehmen und an eine Kühlumgebung weitergeben.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Dampfentspannung mit dem erfindungsgemäßen Dampfentspannungs-System umfasst die folgenden Schritte:
- - Einleiten von Dampf in eine mit einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, gefüllte Kühleinheit,
- - Führen des aus dem Dampf resultierenden Fluids durch einen Fluidwiderstand in einen Dampfentspanner,
- - Führen des Fluids durch den Dampfentspanner hindurch,
- - Nachfüllen von Flüssigkeit in die Kühleinheit.
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Besonders das Nachfüllen erfordert dabei eine besondere Ausgestaltung des Prozesses. Durch Erhitzen des Flüssigkeitsvolumens in der Kühleinheit verdampft es. Zudem kann durch den Druck des eingeleiteten Dampfes auch Flüssigkeit direkt durch den Fluidwiderstand gelangen und in den Dampfentspanner austreten. Daher sollte das Nachfüllen zu definierten Zeiten stattfinden, die entweder so bestimmt werden, dass die Flüssigkeitsmenge einen bestimmten Wert unterschritten hat, oder dass vor vorbestimmten Schritten des Brühprozesses auf jeden Fall ein Auffüllen der Kühleinheit mit Flüssigkeit erfolgt. Das Befüllen der Kühleinheit mit Flüssigkeit findet bevorzugt über ein Brühventil des Heißgetränkeautomaten statt, dass bevorzugt eine separate Drainagestellung in Richtung Dampfentspannungs-System besitzt.
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Die Kühleinheit hat die Funktion, dass bei der Entladung der Energie des Dampfes in der Flüssigkeit die gesamte Wärmekapazität der in der Kühleinheit befindlichen Flüssigkeit, in der Regel Wasser, als zusätzlicher Wärmespeicher verwendet wird und der Dampf nicht vorher entweichen kann. Die Wechselwirkung von Dampf und Flüssigkeit kann jedoch zu unangenehmen Geräuschen führen. Diesen Geräuschen wirkt der Fluidwiderstand vorteilhaft entgegen, wobei er ebenfalls vorteilhaft eine Verschiebung der Phasengrenze bewirkt, insbesondere bei einem Widerstand von ca. 200 bis 350 mbar.
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Das Abwasser aus der Kühleinheit wird bevorzugt vom Dampfentspanner aufgenommen, läuft hindurch und wird bevorzugt in eine Tropfschale geleitet.
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Ein erfindungsgemäßer Heißgetränkeautomat ist insbesondere ein Kaffeevollautomat. Er umfasst ein erfindungsgemäßes Dampfentspannungs-System und/oder ist zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt. Bevorzugt ist der Fluideinlass des Dampfentspannungs-Systems mit einem Brühventil des Heißgetränkeautomaten verbunden (s. vorangehende Ausführungen), so dass ein Befüllen der Kühleinheit mit einer Flüssigkeit möglich ist, insbesondere mit Wasser. Es ist bevorzugt, dass das Brühventil eine separate Drainagestellung in Richtung Dampfentspannungs-System aufweist.
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Bevorzugt mündet der Fluideinlass der Kühleinheit am Boden der Kühleinheit, was in einer Kühleinheit in Form bzw. Funktion eines Siphons resultiert. Bevorzugt weist dazu die Kühleinheit in ihrem Innenraum ein Einlassrohr auf, welches eintretenden Dampf zum Boden der Kühleinheit leitet und dort in das Innere der Kühleinheit abgibt.
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Bevorzugt ist die Kühleinheit im Inneren des Dampfentspanners angeordnet. Dies hat den Vorteil einer sehr kompakten Bauform.
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Bevorzugt ist der Fluidwiderstand ein Fächerwiderstand, Schwammwiderstand oder Lamellenwiderstand, wobei die Form der Elemente gerade und/oder konisch sein kann. Die hierbei vorteilhafte Konstruktion erzeugt einen hohen fluidmechanischen Gegendruck und eine strömungsungünstige Kontur mit hohem Formwiderstand. Die dabei turbulent ausgebildete Strömung begünstigt zudem die Wärmeübertragung. Des Weiteren werden weitere physikalische Kenngrößen für den Wärmeübergang und die Kondensation für reine Dämpfe positiv beeinflusst und erhöhen die Gesamtbilanz.
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Der Fluidwiderstand ist bevorzugt so gestaltet, dass er ein Druckgefälle zwischen 100 mbar und 500 mbar, insbesondere zwischen 200 mbar und 350 mbar hervorruft, was vorteilhaft für die Schalldämpfung zur Geräuschminimierung ist. Alternativ oder zusätzlich ist der Fluidwiderstand so gestaltet, dass bei einem vorbestimmten Eingangsdruck der Ausgangsdruck so ausgelegt ist, dass die in dem Kühlelement bestimmungsgemäß enthaltene Flüssigkeit, insbesondere Wasser, in Verbindung mit entweichendem Dampf nicht gegen den Atmosphärendruck reagiert. Dazu kann der Widerstand im Hinblick auf den Eingangsdruck und Ausgangsdruck so gewählt werden, dass die Flüssigkeit in Verbindung mit dem entweichenden Dampf nicht gegen den Atmosphärendruck reagiert.
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Bevorzugt ist ein Teil der Wandung des Dampfentspanners und/oder der Kühleinheit als Teil des Fluidwiderstandes ausgeformt, insbesondere als Lamellen. Dies ist vorteilhaft für eine preisgünstige und kompakte Bauform.
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Bevorzugt ist das Innenvolumen der Kühleinheit in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Dampfdruck so gewählt, dass bei einer bestimmungsgemäß mit Flüssigkeit gefüllten Kühleinheit innerhalb von 90 Sekunden zwischen 3 kJ und 40 kJ, insbesondere zwischen 6 kJ und 20 kJ, aufgenommen werden können. Die Wahl des korrekten Innenvolumens ist einfach, da der Gesamtwiderstand des Systems, damit die mit dem Dampfdruck eingebrachte Wärmemenge und mit dem spezifischen Wärmekoeffizienten der Flüssigkeit und dem Innenvolumen auch die Wärmekapazität der Kühleinheit bekannt sind. Dies hat den Vorteil, dass damit der Bauraum für die Verarbeitung der Restenergie möglichst gering gehalten werden kann, um die Integration der Kühleinheit in den Dampfentspanner zu gewährleisten. So kann auch darauf geachtet werden, dass das Volumen der Kühleinheit nicht zu groß gewählt wird, um einen regelmäßigen Wasserwechsel je Heißgetränkebezug zu begünstigen.
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Ein bevorzugtes Dampfentspannungs-System umfasst am Fluideinlass der Kühleinheit einen Eingangswiderstand, bevorzugt umfassend ein geschäumtes Material, ein Sieb oder Zellstoff und/oder einen hydraulischen Widerstand. Dies hat den Vorteil, dass der eintretende Dampf zerstäubt und dadurch eine Homogenisierung der Dampfblasen erreicht wird, die anschließend in die Flüssigkeit der Kühleinheit eintreten. Das Zerstäuben erhöht die Ober- bzw. Kontaktfläche des Dampfs. Die Erhöhung der Kontaktfläche führt zu einem erhöhten Energieübertrag zwischen Dampf und Wasser. Das Einlassrohr weist bevorzugt einen solchen Eingangswiderstand auf, bevorzugt einen hydraulischen Widerstand, besonders bevorzugt eine Verjüngung des Innendurchmessers.
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Gemäß einem bevorzugten Verfahren wird vor einem Zubereitungszyklus zur Zubereitung eines Heißgetränkes der Zustand der Kühleinheit bestimmt, insbesondere der Füllstand und/oder die Temperatur der enthaltenen Flüssigkeit. Bei einem zu niedrigen Füllstand und/oder einer zu hohen Temperatur wird dann kalte Flüssigkeit in die Kühleinheit gefüllt. Die verwendete Flüssigkeit ist bevorzugt die Flüssigkeit aus der Auffangschale eines Heißgetränkeautomaten oder eine bestimmte Menge Wasser aus einem Wasserreservoir für die Getränkeherstellung. Bevorzugt wird überschüssiges Wasser aus der Kühleinheit in den Dampfentspanner abgegeben.
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Am Ende einer Heißgetränke-Zubereitung wird bevorzugt je nach Prozessschritt des Heißgetränkeautomaten, z.B. eines Kaffeevollautomaten, das Dampfentspannungs-System auf ein bestimmtes Niveau gebracht, insbesondere auf eine Temperatur von 60 °C. Hierbei wird das System, zumindest die Kühleinheit, insbesondere auf Drainageposition eines Brühventils, mit frischer und kalter Flüssigkeit, z.B. mit Wasser, geflutet. Damit wird die Basistemperatur der Komponenten wieder erneuert und deren Kapazität für die Aufnahme von Wärmeenergie wiederhergestellt.
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Das Prinzip der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung beispielshalber noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigen schematisch:
- 1: einen Dampfentspanner gemäß dem Stand der Technik in einer Draufsicht,
- 2: einen Schnitt durch einen Dampfentspanner gemäß dem Stand der Technik in Seitenansicht,
- 3: ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Dampfentspannungs-System in einer Draufsicht,
- 4: einen Schnitt durch das Dampfentspannungs-System entlang der Schnittlinie B-B der 3,
- 5: einen Schnitt durch das Dampfentspannungs-System entlang der Schnittlinie C-C der 3,
- 6: einen Schnitt durch das Dampfentspannungs-System entlang der Schnittlinie D-D der 3,
- 7: eine Explosionsdarstellung des erfindungsgemäßen Dampfentspannungs-Systems,
- 8: ein Beispiel für eine Kühleinheit des erfindungsgemäßen Dampfentspannungs-Systems,
- 9: eine Brühkurve eines erfindungsgemäßen Dampfentspannungs-Systems.
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1 zeigt einen Dampfentspanner 3 gemäß dem Stand der Technik in einer Draufsicht, durch dessen Mitte eine Schnittline A-A verläuft. 2 zeigt einen Schnitt durch den Dampfentspanner 3 entlang jener Schnittlinie A-A. Zu erkennen ist links oben ein Bereich mit einem Einlass 3a und zentral in der Mitte unten ein Auslass 3b. Dampf tritt durch den Einlass 3a ein und durchläuft entlang der Pfeile den Dampfentspanner 3 in an sich bekannter Weise entlang mehrerer Rippen durch sich erweiternde Kanäle mit Engstellen und unter Richtungsänderungen, wobei der Dampf entspannt und gekühlt wird. Der Dampfentspanner 3 wirkt als Wärmetauscher und kann zusätzlich mit Hilfe von ablaufendem Kondensat oder geringen Mengen Kühlwasser den Dampf kühlen. Das resultierende Fluid, nämlich Luft, Wasserdampf und Kondenswasser, tritt danach aus dem Auslass 3b aus.
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3 zeigt ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Dampfentspannungs-System 1 mit drei Schnittlinien B-B, C-C, D-D. Da sich die meisten relevanten Komponenten des Dampfentspannungs-Systems 1 in seinem Inneren befinden, ist in 3 der Dampfentspanner 3 nur in einer Draufsicht wiedergegeben. Die 4, 5 und 6 zeigen jeweils einen der Schnittansichten durch das Dampfentspannungs-System 1 entlang der Schnittlinien B-B, C-C, D-D.
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4 zeigt einen Schnitt durch das Dampfentspannungs-System 1 nach 3 entlang der Schnittlinie B-B. Stromab des Einlasses 3a und stromauf des Auslasses 3b sind ein Einlass 3c für ein Sicherheitsventil und ein Einlass 3d für einen Überlauf einer Kartuschengarage zu erkennen. Ansonsten entsprechen der Aufbau des Dampfentspanners 3 entlang der Schnittlinie B-B mit den sich zwischen Engstellen und Richtungswechseln erweiternden Kanälen und dessen Funktion weitgehend dem in 2 dargestellten Dampfentspanner 3.
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5 zeigt einen Schnitt durch das Dampfentspannungs-System 1 nach 3 entlang der Schnittlinie C-C, die parallel zur Schnittline B-B liegt. Sie zeigt eine Kühleinheit 4, deren Fluideinlass 4a im linken oberen Bereich des Dampfentspanners 3 angeordnet ist. Durch den Fluideinlass 4a tritt Dampf in die Kühleinheit 4 ein, durchläuft zunächst ein abgewinkeltes Einlassrohr 4b, durch das der Dampf am Boden der Kühleinheit 4 austritt. Die Kühleinheit 4 ist im bestimmungsgemäßen Betrieb mit Wasser gefüllt. Der unten in der Kühleinheit 4 austretende Dampf bewegt sich zum oberen Ende der Kühleinheit 4 hin und durch Rippen 4e abgelenkt hindurch, wobei er sich im Wasser abkühlt und das Wasser dadurch erwärmt.
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Das resultierende Fluid, nämlich Dampf, Luft und Wassertröpfchen, tritt durch einen Fluidwiderstand 2 in den Dampfentspanner 3 ein, wobei der Fluidwiderstand 2 am Fluidauslass 4c der Kühleinheit 4 sowie am Einlass 3a des Dampfentspanners 3 angeordnet ist. Damit bildet der Fluidwiderstand 2 den Fluidauslass 4c der Kühleinheit 4 und den Einlass 3a des Dampfentspanners 3. Von hier aus nimmt das Fluid den zu 2 beschriebenen Weg. Der Fluidwiderstand 2 besteht aus Lamellen, die einerseits in der Wandung des Dampfentspanners 3 und andererseits in der Wandung der Kühleinheit 4 ausgebildet sind, die einander gegenüberliegend ineinandergreifen. Sie zwingen das Fluid auf einen verlängerten Weg durch die Lamellen und durch Engstellen zwischen ihnen hindurch. Mit der Dimensionierung der Lamellen und ihres Abstandes lässt sich die Größe des Fluidwiderstands 2 einstellen.
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Halb rechts führt der Schnitt C-C der 5 durch eine an sich bekannte Ablenkgeometrie bzw. eine Schanze 3e (vgl. auch 1, 3). Sie dient der besseren Funktion des Dampfentspanners 3, indem er in an sich bekannter Weise die anderenfalls laminare Strömung des Fluids durch den Dampfentspanner 3 stört.
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6 zeigt den weiteren Schnitt D-D durch das Dampfentspannungs-System nach 3, der orthogonal zum Schnitt C-C verläuft und auch die Kühleinheit 4 erfasst. Die Kühleinheit 4 und ihr abgewinkeltes Einlassrohr 4b sind geschnitten zu sehen. Die Kühleinheit 4 nimmt demnach nicht die gesamte Tiefe des Gehäuses des Dampfentspanners 3 in Anspruch. Das Einlassrohr 4b weist in seinem Knick einen hydraulischen Widerstand 4d auf, der durch eine Verjüngung des Innendurchmessers gebildet wird.
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7 zeigt zur Verdeutlichung eine - in Details vereinfachte - Explosionsdarstellung des erfindungsgemäßen Dampfentspannungs-System 1 mit den vorangehend beschriebenen Komponenten. Das Gehäuse des Dampfentspanners 3 lässt sich durch zwei Segmente bzw. Gehäuseschalen 5a, 5b bilden, in deren Innerem die übrigen Komponenten eingesetzt werden können.
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8 zeigt ein Beispiel für eine Kühleinheit 4 eines erfindungsgemäßen Dampfentspannungs-Systems 1, wie sie in 5 zu sehen ist, in einer perspektivischen Schnittdarstellung. Zu erkennen sind wiederum das Einlassrohr 4b mit dem Fluideinlass 4a und der Fluidwiderstand 2. Die Rippen 4e im Inneren der Kühleinheit 4 bestimmen einen Weg des Dampfs nach Verlassen des Einlassrohrs 4b zum Fluidwiderstand 2. Durch Versatz ihrer Unterbrechungen 4f verlängern sie den Weg des Dampfs und dienen vorteilhaft der Schalldämpfung, dem Erzeugen einer turbulenten Strömung des Fluid, und einer vergrößerten Kontaktfläche an der Wandung der Kühleinheit für einen besseren Wärmeübergang.
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9 zeigt eine Brühkurve eines erfindungsgemäßen Dampfentspannungs-Systems. Eine senkrechte Achse gibt die Stärke des jeweiligen Steuersignals an und die horizontale Achse die Zeit. Zu erkennen sind eine Kurve A für die Heizleistung in Watt (drei Striche, zwei Punkte), eine Kurve B der Auslauftemperatur in °C (gestrichelt), eine Kurve C der Flussgeschwindigkeit des gepumpten Wassers in g/s (durchgezogen) und eine Kurve D der Pumpenleistung in Watt (ein Strich, zwei Punkte). Als schraffierte Kästen sind diejenigen Zeitintervalle gekennzeichnet, in denen ein Füllschritt F erfolgt (links) oder ein Erneuerungsschritt E (Mitte und rechts). Während des Füllschritts F und des Erneuerungsschritts E wird die Kühleinheit wieder mit Wasser gefüllt, z.B. über ein Brühventil, welches dazu eine besondere Stellung einnehmen kann.
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Bei einem beispielhaften Startprozess für den Dampfprozess wird in dem Dampfentspannungs-System 1 mit Hilfe eines eingebauten Spülverfahrens auf Drainageposition des Brühventils durch Einleiten von Wasser in die Kühleinheit 4 die Masse des Systems erhöht und nach Verwendung oder Verbrauch des Wasserspeichers wieder erneuert. Dies geschieht, bevor der Zubereitungsprozess eines Heißgetränks gestartet wird. Hierbei werden wie immer auf der Drainageposition (Abwasserposition) des Brühventils die Heizung und das System gefüllt. Das überschüssige Wasser, welches bisher direkt in die Auffangschale gelangte, wird im Dampfentspannungs-System zu einem gewissen Anteil (z.B. 4 bis 15g) zwischengespeichert.
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Da es sich bei der vorhergehenden, detailliert beschriebenen Ausführungsform um ein Beispiel handelt, kann es in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können auch die konkreten Ausgestaltungen des Fluidwiderstands 2, des sich erweiternden Kanals oder der Kühleinheit 4 in anderer Form als in der hier beschriebenen erfolgen. Insbesondere kann der Dampfentspanner oder die Kühleinheit in einer anderen äußeren Form ausgestaltet werden.
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Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrmals oder mehrfach vorhanden sein können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dampfentspannungs-System
- 2
- Fluidwiderstand
- 3
- Dampfentspanner
- 3a
- Einlass
- 3b
- Auslass
- 3c
- Einlass Sicherheitsventil
- 3d
- Einlass Überlauf
- 3e
- Schanze
- 4
- Kühleinheit
- 4a
- Fluideinlass
- 4b
- Einlassrohr
- 4c
- Fluidauslass
- 4d
- Hydraulischer Widerstand
- 4e
- Rippen
- 4f
- Unterbrechung
- 5a, 5b
- Gehäuseschalen
- A
- Kurve der Heizleistung
- B
- Kurve der Auslauftemperatur
- C
- Kurve der Flussgeschwindigkeit
- D
- Kurve der Pumpleistung
- E
- Erneuerungsschritt
- F
- Füllschritt
