Scriptie IDE442 MATERIALISEREN 1999 DE KOFFIEZETTER. Anton Vanhoucke, Maarten Keijzers, Marthijn de Goey & Niels Penninx Begeleider: P. V

Scriptie

IDE442 MATERIALISEREN

1999

DE KOFFIEZETTER Anton Vanhoucke, Maarten Keijzers, Marthijn de Goey & Niels Penninx Begeleider: P. V. Kandachar

Inhoudsopgave Opdracht ......................................................................................................................................2 Analyse ........................................................................................................................................2 Onderzoek naar het koffiezetten ..............................................................................................2 Belangrijke factoren ..................................................................................................................2 ad 1. ....................................................................................................................................2 ad 2. ....................................................................................................................................3 ad 3. ....................................................................................................................................3 ad 4. ....................................................................................................................................3 ad 5. ....................................................................................................................................3 Vershouden van de koffie .........................................................................................................3 De apparatuur ..........................................................................................................................3 Snelfilter-apparatuur ............................................................................................................3 Rondfilterzetapparatuur .......................................................................................................3 Temperatuuronderzoek in een goedkoop koffiezetapparaat ...................................................4 Conclusies ...........................................................................................................................4 De speciaalhandelaar over processen .....................................................................................4 Onderzoek naar de werking van het koffiezet-apparaat .........................................................5 Inleiding ....................................................................................................................................5 I Verwarmingselement voor het water ......................................................................................5 II Wateropslag en doorvoer ......................................................................................................5 III Een zetkamer .......................................................................................................................5 IV Opslag unit ...........................................................................................................................5 V Temperatuurregelsysteem ....................................................................................................5 Onderzoek naar octrooien en patenten ....................................................................................6 Onderzoek naar koffiezetters in de winkel ...............................................................................6 Onderzoek naar huidige thermoskan .......................................................................................6 De koffiekan ........................................................................................................................6 De thermoskan ....................................................................................................................7 Conceptontwikkeling .................................................................................................................7 Probleemstelling .......................................................................................................................7 Oplossingsrichting ....................................................................................................................7 Concepten ................................................................................................................................7 Concept 1 Thermoskan met opwarming door weerstandswarmte .....................................7 Concept 2 Thermoskan verwarming middels inductie (intern) ............................................8 Concept 3 Thermoskan verwarming middels inductie (extern) ...........................................8 Conceptkeuze ..........................................................................................................................8 Energieberekening ..............................................................................................................9 Temperatuurschommelingen ..............................................................................................9 Materialisatie ..........................................................................................................................10 Conclusie ..................................................................................................................................10 Bronvermelding ........................................................................................................................10

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

TU

TU

UT

UT

UT

© Faculteit Industrieel Ontwerpen

1

Technische Universiteit Delft

Scriptie


1999

OPDRACHT In het vierde studiejaar van de richting Industrieel Ontwerpen aan de Technische Universiteit Delft, wordt het vak Materialiseren 3 gedoceerd. Dit vak heeft als doelstelling de kennis over en de hantering van verschillende materialen te bevorderen. In teamverband wordt aan een verscheidenheid van opdrachten gewerkt, die allen vanuit materiaalkundig en IO-relevant oogpunt benaderd dienen te worden. Voor onze groep luidde de opdracht als volgt: Koffie wordt na het zetten koud of oud. Optimaliseer de bewaarfunctie van het koffiezet-apparaat, met nadruk op de materiaalkeuze. ANALYSE Onderzoek naar het koffiezetten Over het koffiezetten in het algemeen is redelijk veel informatie voorhanden. In Nederland is zelfs een instituut voor Koffie en Thee, dat als doel heeft de consument te informeren. Deze hebben wij benaderd. Zij hebben ons, naast mondelinge informatie, verscheidene informatieve folders toegestuurd. Belangrijke factoren Er zijn een groot aantal factoren belangrijk bij het koffie zetten. Dit zijn: de maalgrofte de temperatuur van het water de zettijd de geur en smaak van de melange de hardheid van het water de dosering de apparatuur het onderhoud Voor ons onderzoek zijn slechts vijf onderdelen hiervan van belang: 1. de temperatuur van het water 2. de zettijd 3. de dosering 4. de apparatuur 5. het onderhoud ad 1. De melange wordt het best opgenomen bij een temperatuur van 98ºC. Als het te warm is, wordt de koffie als het ware verbrand Als het proces echter te koud is, zal de melange niet volledig opgenomen worden door het water. Door koffie in een koud kopje te schenken koelt de koffie sterk af (zo'n 20ºC, bijv. van 85ºC naar 65ºC.) De ideale serveertemperatuur is 74ºC. Gezette koffie verdraagt geen grote temperatuurschommelingen. Men raadt dus aan de apparatuur voor te verwarmen. Dit kan bijvoorbeeld door vooraf het apparaat een keer door te laten lopen zonder koffie in het filter.


Figuur 1

2


Scriptie


1999

ad 2. Hoe korter het contact tussen water en koffie, des te slapper wordt de koffie. Is het contact lang, dan wordt de koffie bitter. Er moet dus een goede middenweg gezocht worden. Kalkaanslag verhoogt de zettijd. Kalk isoleert het verwarmingselement en de warmte kan dus moeilijker bij het water komen. ad 3. Elk koffiezetapparaat heeft een eigen optimale dosering. Als je minder koffie zet moet je relatief meer koffie gebruiken. ad 4. zie hoofdstuk "de apparatuur" ad 5. Bij het onderhoud moet het volgende bekeken worden: de kalkaanslag en de koffieresten. Koffieresten geven de koffie een bittere smaak Vershouden van de koffie Hierbij is het volgende van belang: Bewaren in volle, goed afgesloten (thermos-)kan Uitsluitend te bewaren in een kan van glas of porselein (geur- en smaak afgifte is bij deze materialen minimaal) Bewaren op een temperatuur van 85ºC tot 87ºC. Achteraf opwarmen dient voorkomen te worden. De apparatuur Er zijn verschillende soorten apparatuur op de markt met hun eigen specifieke voor- en nadelen. Hieronder zijn enkele apparaten behandeld die voor onze opdracht van belang zijn: Snelfilter-apparatuur Het water druppelt op de gemalen koffie in het filter. De koffie komt in zijn geheel onder water te staan, zodat de meeste aroma's uit de koffie opgenomen worden. Deze apparatuur is er in de onderstaande soorten 1. Niet automatisch (met de hand afmeten van hoeveelheid water, extern verwarmen water, met de hand op de koffie geschonken) 2. Half automatisch (met de hand afmeten van hoeveelheid water, apparatuur zorgt voor verwarmen en opschenken van water. Koffie moet met de hand toegevoegd worden.) 3. Automatisch (alles wordt door het apparaat gedaan: afmeten water, afmeten koffie, verwarmen en opschenken.) 4. De ideale zettemperatuur voor snelfilter-apparaten is 97ºC tot 98ºC graden Celsius. Rondfilterzetapparatuur Deze apparatuur is er in de onderstaande soorten: niet automatische volautomatische Bij rondfilter-apparatuur komt het water relatief lang in contact met de koffie. Meestal wordt dus een grove maling gebruikt.


3


Scriptie


1999

Deze worden voornamelijk voor grote hoeveelheden koffie gebruikt en zal dus niet intensief behandeld worden. Temperatuuronderzoek in een goedkoop koffiezetapparaat Om meer inzicht te krijgen in de bestaande apparaten, hebben we bij de goedkopere apparaten op verschillende plaatsen de temperatuur opgemeten. Hieronder zijn de gemiddelde temperaturen weergegeven die wij hebben gemeten. Uitgangspunten: De koffiekan is niet voorverwarmd We zetten een volle bak koffie: 1 liter water, 6 scheppen koffie De omgevingstemperatuur (en dus de temperatuur van de kan) is 18ºC De maximumtemperatuur van de warmhoudplaat ligt in de buurt van de 130ºC In de figuur zijn de meetresultaten weergeven:

Figuur 2

Conclusies Goedkopere apparaten wijken vaak af van het ideale temperatuur traject, dit gaat ten koste van de kwaliteit. In het filter daalt de koffie zo'n 5 ° C in temperatuur De koffie verliest doordat de kan koud is nog eens zo'n 7-8 ° C Door de koffie in een koud kopje te schenken verliest deze nog eens zo'n 20 ° C aan warmte. De optimalisatie is dus in feite het beperken en beheersen van deze temperaturen. De speciaalhandelaar over processen Tevens hebben we een gesprek gehad met de winkelier van koffie en thee zaak "De Vergulde Pauw" te Delft. Hij verschafte ons relevante informatie over het proces van koffiezetten. Bij het zetten van koffie gaat het erom de koffiearoma’s uit de gebrande bonen te extraheren door middel van heet water. Om dit te doen, bestaan er verschillende methoden, namelijk: de snelfilter-methode de expresso-methode de percolator de cafetera De processen zijn even goed, maar onderscheiden zich in de smaak die de koffie krijgt.


4


Scriptie


1999

Hij vertelde ons tevens dat de reguliere manier van koffiezetten in principe geen goede kwaliteit koffie oplevert. Zelfs al zou men erg dure koffie gebruiken, dan nog zou de kwaliteit relatief niet veel verbeteren. De verbetering lag in het koffiezetapparaat. De reguliere koffiezetapparaten volgen niet het gewenste temperatuurtraject en daarnaast valt de koffie vaak in een koude kan en wordt vervolgens ook nog eens opgewarmd. (dit is zeer slecht voor de smaak) Tenslotte komt de koffie ook nog eens in een koud kopje terecht, zodat de drinktemperatuur ver onder het optimum ligt. Een mogelijke manier om dit te verbeteren is de koffiekan eerst voor te verwarmen met kokend water. Koffiezetapparaten zoals die gebruikt worden in cafés, verwarmen de kopjes boven op het apparaat. ONDERZOEK NAAR DE WERKING VAN HET KOFFIEZET-APPARAAT Inleiding Huidige elektrische koffiezet apparaten voor huishoudelijk gebruik zijn opgebouwd uit een aantal standaard componenten die globaal in te delen zijn in de volgende categorieën: i. ii. iii. iv. v.

Verwarmingselement voor het water Wateropslag en doorvoer. Een zetkamer Opslag unit Temperatuurregulering systeem

I Verwarmingselement voor het water Dit is doorgaans een verwarmingsspiraal die elektrische energie omzet in thermische energie. Deze spiraal zit in een holle metalen buis (vaak een aluminium legering), doorgaans gebogen in een cirkelvorm. Om ervoor te zorgen dat de spiraal geen direct contact maakt met het omhulsel is de buis met daarin de spiraal opgevuld met een keramiek poeder of zand. Hierdoor blijft niet enkel de spiraal op zijn plaats, het poeder zorgt tevens voor de warmte overdracht van het spiraal naar de buitenwand van de omhullende buis. Het verwarmingselement is aan het waterkanaal verbonden, soms zijn beide delen geïntegreerd in één gietstuk om zo de energie overdracht van het spiraal naar het water te optimaliseren. Verder zit er aan het verwarmingselement een thermische schakelaar (bimetaaltje), die het element in en uit schakelt op de gewenste temperatuur. Vaak is er nog een extra hitte weerstand aanwezig als extra zekering. II Wateropslag en doorvoer Het waterreservoir bij niet professionele apparaten zal altijd hoger geplaatst zijn dan het verwarmingselement, dit om de waterdoorvoer naar het element via de zwaartekracht te regelen. Het reservoir is vaak geïntegreerd met de behuizing. Tussen dit reservoir en het verwarmingselement zit een ventiel dat ook vaak in de behuizing wordt geïntegreerd. Dit ventiel voorkomt dat verwarmd water terug kan stromen in het reservoir. Omdat het ventiel het water wel doorlaat in de tegenovergestelde richting, zal het uitloopstuk van het water hoger gelegen moeten zijn, om te voorkomen dat het water vanzelf uit het reservoir wegvloeit. III Een zetkamer Dit is een kunststof of metalen houder waar de koffie in gedaan wordt. Het scheiden van de opgeloste koffie en vaste koffie gebeurd doorgaans d.m.v. een papieren filter, maar er zijn ook apparaten die gebruik maken van een poreuze metalen filter. IV Opslag unit Dit is de "koffiekan" die in enkel glas of thermisch geïsoleerde vorm daarvan terug te vinden is. V Temperatuurregelsysteem Het reguleren van de temperatuur van de gezette koffie kan op verschillende wijzen gebeuren. Er kan, zoals eerder gezegd, gebruik gemaakt worden van een bimetaal regulerend systeem aan het verwarmingselement, dat dan tevens als warmhoudplaat fungeert. In dit geval wordt


5


Scriptie


1999

boven het verwarmingselement een plaatje bevestigd, waar de glazen kan boven staat. Een andere manier is om het verlies van warmte te reduceren tot een minimum (een enkelwandig glazen kan staat warmte relatief makkelijk af aan de omgeving). Dan wordt de kan geïsoleerd en ontstaat er een thermos kan. Als deze goed is uitgevoerd dan kan de gezette koffie boven een gewenste serveertemperatuur blijven waardoor het niet meer nodig is om de kan op temperatuur te houden. Andere principe oplossingen staan beschreven in de bijlagen, in de octrooiaanvragen. Onderzoek naar octrooien en patenten Het octrooibureau te Rijswijk bevatte een aantal relevante octrooien. Hieronder vindt u een korte samenvatting van de meest relevante octrooien. Een glazen koffiekan houdt de koffie niet lang genoeg warm. Dus men heeft verschillende methoden bedacht om dit probleem op te lossen: de meest gebruikte oplossing is een warmhoudplaatje, al dan niet in combinatie met extra isolatie van deksel en/of mantel. Andere methoden gebruiken een andere manier om weggelekte warmte aan het systeem toe voegen. Hieronder vallen: een tussenwand gevuld met warm water, infrarood straling door de onderkant en ingeschuimde weerstanden in de mantel. Speciale aandacht verdient de oplossing met infrarood straling, omdat daarbij gebruik gemaakt is van een standaard dubbelwandige glazen fles met een zilverzouten laag. In die laag is daarna met een laser een venster gemaakt, waardoor de straling de koffie bereikt. Deze oplossing getuigt van een creatieve aanpak van het probleem. Onderzoek naar koffiezetters in de winkel De koffiezetapparaten op die op de markt zijn variëren sterk in prijs. Ze gaan van ongeveer fl.15,- tot meer dan fl.350,- Dit verschil in prijs uit zich natuurlijk in de kwaliteit. De goedkope apparaten hebben vaak een zeer slecht warmhoudsysteem: de koffiekan is vaak erg slecht afgesloten van de omgeving waardoor er veel warmteverlies ontstaat. Daarnaast is het warmhoudplaatje "ter compensatie" extra heet, wat de aroma's doet verbranden. De duurste modellen hebben een thermoskan en goed zijn goed afgedicht. Onderzoek naar huidige thermoskan De koffiekan Bij snelfilterzetapparatuur wordt vaak gewerkt met glazen kannen en een warmhoudplaatje. De volgende eigenschappen kunnen aangegeven worden. Het warmhoudplaatje is gebaseerd op volle kannen, zet men halfvolle potten op zo'n plaatje dan doet dat de kwaliteit van de koffie geen goed. Door de verwarming treedt een snelle veroudering van de koffie op. Doordat de warmte alleen aan de onderkant toegevoegd wordt, wordt de koffie in feite elke keer opgewarmd. (Circulatie in de kan) Koffie kan hier niet goed tegen, er komen dan veel bitterstoffen vrij en de koffie verliest zijn heerlijke smaak. Voordelen: Koffiezetapparaten met glazen kannen zijn vaak goedkoop, eenvoudig te bedienen en redelijk snel. Ze hebben weinig oppervlakte nodig en zijn makkelijk verplaatsbaar en geven een relatief goed product. Nadelen: Door de hoeveelheid te verrichten handelingen, zijn deze apparaten wel redelijk arbeidsintensief.


6


Scriptie


1999

De thermoskan Over het algemeen blijft de koffie beter goed in een thermoskan dan in een koffiekan met warmhoudplaatje. De huidige, reguliere thermoskan is opgebouwd op de volgende manier: De binnenkant van de kan bevat een dubbelwandig glazen mantel waarbinnen zich een vacuüm bevindt. Aan de onderzijde van de binnenfles wordt de kan vacuüm gezogen en dicht gesmolten. De volledige binnenkant van de mantel bevat een zilver-zoutopdamping ter bestrijding van straling. De buitenkant van de kan is van een "onbreekbaar" materiaal zoals bijvoorbeeld RVS of een plastic. De kritieke punten bij een thermoskan zijn: De bovenkant van de mantel; hier kan de warmte via het glas verlaten (ontstaan van een zogenaamde "warmtebrug"). Het deksel; dit is vaak het minst geïsoleerde deel van de kan. Figuur 3

CONCEPTONTWIKKELING Probleemstelling De huidige reguliere koffiezetapparaten maken koffie die kwalitatief zeer matig is. Dit komt doordat de koffie veel warmte verliest tijdens de bereiding en tijdens het bewaren. De voornaamste afkoeling wordt veroorzaakt door de laatste. Zelfs bij koffiezetapparaten met een thermoskan, koelt de koffie sterk af en wordt deze dus op een te lage temperatuur bewaard. In principe wordt dit probleem opgelost als men de koffiekan/thermoskan eerst zou voorverwarmen. Door het optimaliseren van de kan, wordt de koffie beter van kwaliteit zonder concessies te doen aan het gebruiksgemak. Randvoorwaarden voor ideale koffie: De koffie mag niet opgewarmd worden Ideale zettemperatuur: 98°C Ideale bewaartemperatuur: 85-87°C Ideale drinktemperatuur: 74°C Oplossingsrichting Op het moment dat de koffiekan voorverwarmd wordt door het aanbrengen van een intern verwarmingssysteem, dat uitschakelt wanneer de koffie daadwerkelijk in de kan komt, zal de koffie dichter bij de ideale bewaartemperatuur geconserveerd blijven. Wij zullen dit systeem direct integreren in het concept thermoskan. Concepten Concept 1 Thermoskan met opwarming door weerstandswarmte Bij dit concept wordt de binnenkant van de glazen fles opgewarmd door een elektrische stroom door een zilveren laag. Deze laag krijgt hierdoor een dubbele functie: het tegengaan van straling en het opwarmen van de kan. Om een weerstandsdraad te creëren, moet er uit de egale zilveren laag een spiraal worden uitgespaard. Door een spiraal in de zilveren laag weg te branden, ontstaat er een lange draad waar een potentiaal over gezet kan worden (vergelijk het met de draad van een autoruitverwarming). Door de spiraal handig weg te branden, kan men ervoor zorgen dat het ene eind van het "draad" boven op de rand van de fles ligt met daar


7


Scriptie


1999

tegenover het andere eind. De zilveren laag zit echter aan de binnenzijde van de binnenste wand van de glazen fles, opgesloten in het vacuüm. Ergens moeten er dus contactpunten in het glas worden gegoten die de zilveren weerstandsdraad met de buitenwereld verbind. Dit is een nadeel omdat er zo een koudebrug ontstaat door het vacuüm, hetgeen temperatuurverlies in de hand speelt. Elke thermosfles heeft een koudebrug; dit is de bovenste (dikkere) rand, aan de vulkant. Het is dus ook logisch om hier de contactpunten in het glas te verwerken, zodoende blijft de kan van een tweede warmtebrug gespaard. Deze contactpunten, enerzijds in contact met het zilver en anderzijds aan de buitenkant van de glazen fles, zullen van buiten de totale koffie kan gevoed moet worden. Omdat het in een natte bedrijfsomgeving moet kunnen werken, zullen de contactpunten goed beveiligd moeten worden tegen (o.a.) water. Bovendien zal er een flinke stroom door moeten lopen, om het gewenste vermogen over te kunnen dragen. De spanning moet zo laag mogelijk blijven, met name vanuit het oogpunt van veiligheid. Het wegbranden van de zilverlaag is een bestaand proces; in de octrooien (bijlage) wordt er over deze techniek gesproken. Concept 2 Thermoskan verwarming middels inductie (intern) Ook hier gaat het om het opwarmen van de glazen binnenfles. Nu gaat het echter door middel van inductie, dit heeft als voordeel dat er geen direct contact nodig is tussen de zilveren wand en de buitenwereld. Dit heeft twee grote voordelen: 1 er hoeft geen moeilijke fabricage plaats te vinden aan de glazen binnenfles en 2 de warmte brug verbeterd niet (dus een geen isolatie achteruitgang) Het principe is dat er door de spoel om de buitenkant van de glazen fles een flinke stroom onder een hoge frequentie wordt gejaagd, gedurende een korte tijd (max. 60 sec). Hierdoor zal de zilveren laag in het vacuüm zich gaan gedragen als een spoel bestaande uit 1 winding. Door deze inductie zal de zilveren verwarmd worden. De spoel aan de glazen wand zal verbonden moeten worden met contactpunten aan de buitenwand van de thermosfles. Als men de fles in het "koffiezet station" zet, zullen deze contact punten verbonden moeten zijn met het koffiezetapparaat (dit is terug te vinden bij modernere waterkokers). Ook hier zal weer rekening gehouden moeten worden met het natte milieu waarin de thermoskan zich zal bevinden. Concept 3 Thermoskan verwarming middels inductie (extern) Evenals bij de eerste twee concepten wordt de glazen binnenfles verwarmd. Wederom gebeurd dit door inductie, echter nu is de primaire spoel verplaatst. Deze bevindt zich niet binnen de thermosfles, maar binnen het koffiezetstation. Door de primaire spoel hier te plaatsen, kunnen de contactpunten wegblijven. Een duidelijk nadeel ten opzichte van concept twee is dat de primaire spoel altijd verder verplaatst zal zijn ten op zichten van de secundaire spoel (de zilveren laag) aan de binnenwand. Conceptkeuze Ten eerste geldt voor alle drie de concepten dat er nog veel onzekerheden zijn, intuïtief lijken het haalbare concepten, maar er zal veel praktijk onderzoek naar gedaan moeten worden. Een belangrijke vraag is hoe het zilver zal reageren. Welke diktes er nodig zijn, hoe de overdracht op het glas is, hoe goed het te bewerken is indien het reeds opgegoten zit zijn vragen die moeilijk te voorspellen zijn zonder praktijk kennis. Om toch tot een keuze te komen lijkt het eerste concept weg te vallen tegenover de andere twee, met name vanwege de complexe verbinding tussen de binnenwand en de contactpunten aan de buitenzijde. Een ander belangrijk nadeel van concept 1 ten opzichte van 2 en 3 is dat de zilverlaag gedeeltelijk verdwijnt, waardoor er een positieve eigenschap van de thermoskan (isolatie voor straling) wordt opgeofferd voor de verbetering. Dit is een contradictie, die geen rol speelt bij de andere twee concepten. Om een keuze te maken tussen concept 2 en 3 zijn er slechts twee criteria; het energieverbruik (3) tegenover complexe fabricage (2). Doordat de primaire spoel bij het derde concept verder van de zilverlaag zal moeten staan, zal er waarschijnlijk een aanzienlijk grotere hoeveelheid energie toegevoegd moeten worden. Toch valt dit probleem in het niet als men bedenkt dat de totaal toegevoegde energie nog steeds zeer laag is vergeleken met de oude, conventionele warmhoudplaat. Bovendien hoeven er geen complexe contacten met diens beveiligingen te worden toegevoegd, hetgeen de veiligheid en betrouwbaarheid ten goede komt.


8


Scriptie


1999

Energieberekening benodigde energie Aannames: Inhoud kan = 1,2 liter = 1,2*106 mm 3 P

P

Vereenvoudigde cylindervorm: h = 150 mm r = 50 mm d = 100 mm wandoppervlakte = 62800 mm 2 wanddikte = 1,8 mm P

P

We moeten de binnenwand én de buitenwand van de kan opwarmen. Het volume aan glas dat dus opgewarmd dient te worden is 2 * 1,8 * 62800 =226080 mm 3 = 22,6*10-5 m 3 P

P

P

P

V binnenfles = 22,6*10-5 m 3 Dichtheid glas = 2600 kg/m 3 massa binnenfles = 0,59 kg soortelijke warmte (c) glas = 840 J/kg*K P

P

P

P

Benodigde energie voor opwarmen van 18ºC naar 86ºC = 840 * 0,59 * (86-18) = 33,6 kJ (bij benadering) Als we de kan in 30 sec willen opwarmen tot 86ºC betekent dat, dat we een vermogen van 33600/30 = 1120 Watt nodig hebben. Dit lijkt veel, maar vergeleken met het vermogen van een warmhoudplaatje valt het mee. Bovendien schakelt hij uit als de koffie gaat lopen.

Temperatuurschommelingen Als de kamertemperatuur hoger is dan 18ºC, bijvoorbeeld in de zomer, zal de kan tot een hogere temperatuur worden voorverwarmd. Zodra de koffie in de kan druppelt, zal de wand de koffie dus enigszins opwarmen. Stel, de buitentemperatuur is 27ºC. Dan zal de 33,6 kJ warmte die wordt toegevoegd de kan opwarmen tot 95ºC. (dT is 68ºC) Als de koffie 85ºC is zodra hij in de kan komt, kan de eindtemperatuur van de koffie eenvoudig worden berekend: c glas = 840 J/kg*K massa binnenfles = 0,295 kg (Alleen de binnenwand) d Tglas = (95 - Teind) c koffie = 3800 J/kg*K (bij benadering) massa koffie = 1,2 kg (bij benadering) d Tkoffie = (Teind - 85) 3800*1,2*(Teind - 85)=840*0,295*(95 - Teind) dus 4560*Teind-387600=23541-247,8*Teind dus 4808*Teind=411141 dus T eind = 85,51ºC We nemen aan dat dit temperatuurverschil zo klein is dat de smaak van de koffie er niet nadelig door wordt beïnvloedt.


9


Scriptie


1999

Materialisatie De huidige thermoskan bevat een zilver-zout-laag aan de binnenkant van de vacuum mantel. Deze laag kunnen we gebruiken als weerstand om warmte-energie op te wekken. De weerstand van. CONCLUSIE Het door ons gevonden principe biedt weliswaar oplossing voor een luxeprobleem, toch biedt het volgens ons kansen voor een interessant product. Wel moet een aantal deelproblemen nader onderzocht en berekend worden. Hoeveel wikkelingen heeft de spoel nodig? Wat is het rendement van de inductie-overdracht? Waar ligt het optimum tussen snelheid van opwarmen enerzijds, met een minimum aan vermogen anderzijds? Dit zijn vragen waaraan gerekend kan worden, maar in een geval als dit bieden berekeningen alleen ook geen uitsluitsel. Het beste is om een aantal experimenten uit te voeren, om meer inzicht te krijgen in de problematiek. De kans is groot dat er dan nog factoren worden ontdekt die van tevoren niet goed te voorspellen zijn. Als idee is het dus interessant, maar in de praktijk zou het nut nog moeten blijken. BRONVERMELDING 5. Koffie, meer dan de moeite waard - stichting koffie informatie bureau (leerling brochure), Amsterdam september 1990 6. Koffie, de hele dag door... - Anneke Geerts (Stichting koffie informatie bureau) 7. Koffie en kwaliteit (G)een kunst - Stichting koffie informatie bureau, Amsterdam december 1989 8. Http://www.howstuffworks.com./thermos.htm 9. Http://www.madsci.org/posts/archives/mar97/853714178.Ph.r.html 10. Diktaat Analoge Electronica voor I.O. - december 199 - Ir. D.Ch. van Maarsen 11. Dictaat technische fysica IDE231 - J.L. Spoormaker, TU Delft 1995 12. Fundamentals of Physics (4th edition - Halliday, Resnick, Walker, Wiley 13. IDEMAT 1997 14. Materials Handbook (11th edition) - Brady, Clauser 15. Dictaat konstruktieleer 1 IDE 140 - P. de Ruwe, TU Delft 1994 16. Mechanics of materials (3rd edition), Gere, Timoshenko, PWS-Kent 1990 17. Thermal insulation, recent developments - J.B. Dillon 18. syllabus materialiseren voor IO, IDE 442 - P.V. Kandachar & P. van Mourik, TU Delft 1996 19. A cork for a thermosflask - Wang, Li-Fang, EP 0 374 066 A1 20. Kunststoffen, seriie io bijzondere onderwerpen deel 5 - M.W. van Dalen - September 1996 Technische Universiteit Delft. 21. Conrad electronica gids 1999 22. Fernell electronicagids 1998 HTU

UTH

HTU


UTH

10


Scriptie IDE442 MATERIALISEREN 1999 DE KOFFIEZETTER. Anton Vanhoucke, Maarten Keijzers, Marthijn de Goey & Niels Penninx Begeleider: P. V

Recommend Documents