Zasnova in izdelava naprave za pripravo kavnih napitkov – skupni koeficient konvektivnega prenosa toplote (W/(m2 K), dx w – debelina stene (m), h a, 2h b – koeficienta konvektivnega

Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko

Smetanova ulica 17 2000 Maribor, Slovenija

Zasnova in izdelava naprave za pripravo kavnih napitkov

Maribor, september 2015

i

ZASNOVA IN IZDELAVA NAPRAVE ZA PRIPRAVO

KAVNIH NAPITKOV

Magistrsko delo

Študent: Rok Bolarič

Študijski program: Univerzitetni študijski program Mehatronika

Smer: Avtomatika in robotika

Mentor: izr. prof. dr. Karl Gotlih

Mentor: doc. dr. Miran Rodič

ii

iii

Zasnova in izdelava naprave za pripravo kavnih

napitkov

Ključne besede: kavni avtomat, načrtovanje, vodenje, mikrokrmilnik, Solidworks, prototip

UDK: 004.414.32:641.542.26(043.2)

Povzetek

V magistrskem delu je opisan postopek zasnove in izdelave kavnega avtomata,

namenjenega za kuhanje espresso kave. Opisani so postopki izbire, zasnove in izdelave

vseh komponent. Vključen je 3D model naprave, kot tudi rezultati simulacij kritičnih

komponent. Simulacije smo izvedli s programom Solidworks. Opisani sta tudi strojna in

programska oprema, podani so opisi komponent, električna shema in opis programa v

jeziku C. Naloga opisuje tudi postopek izdelave prototipa. Na koncu je podana stroškovna

analiza.

iv

Design and construction of a device for preparing

coffee drinks

Key words: coffee machine, design, control, microcontroller, Solidworks, prototype

UDK: 004.414.32:641.542.26(043.2)

Abstract

The process of design and construction of coffee machine, used for the preparation of

espresso coffee, is described in the master thesis. Selection process, design and building

of all the components are presented. A 3D model of the device with all of its component,

as well as the simulation results obtained with the use of Solidworks, are included.

Furthermore, applied hardware and software are presented, together with detailed

descriptions of components, electrical circuit and program written in c. The process of

manufacturing of device prototype is also featured. The work is concluded with the

financial analysis.

v

KAZALO

1 UVOD ........................................................................................................................................ 1

1.1 Zgodovina in opis tipov kavnih aparatov ........................................................................................ 1

1.2 Delitev avtomatov za espresso ....................................................................................................... 5

1.3 Pogoji in postopek kuhanja kave .................................................................................................. 11

2 OPIS ZASNOVE NAPRAVE ............................................................................................... 15

2.1 Solidworks.................................................................................................................................... 18

3 OPIS KOMPONENT NAPRAVE ....................................................................................... 20

3.1 Kotel............................................................................................................................................. 20

3.1.1 Simulacija tlačne obremenitve kotla .............................................................................................. 21

3.2 Grelec vode .................................................................................................................................. 24

3.2.1 Simulacija hitrosti naraščanja temperature vode v kotlu .............................................................. 25

3.3 Hladilna cev .................................................................................................................................. 30

3.3.1 Simulacija hlajenja vode v hladilni cevi .......................................................................................... 32

3.4 Filter za kavo ................................................................................................................................ 42

3.5 Nosilec filtra ................................................................................................................................. 43

3.6 Nastavek za penjenje mleka ......................................................................................................... 45

3.7 Podstavek .................................................................................................................................... 46

3.8 Standardni elementi ..................................................................................................................... 48

3.8.1 Standardni cevni elementi ............................................................................................................. 48

3.8.2 Drugi standardni elementi ............................................................................................................. 49

4 REGULACIJA ........................................................................................................................ 51

vi

4.1 Vezje ............................................................................................................................................ 51

4.2 Napetostni delilnik ....................................................................................................................... 53

4.3 Program za mikrokrmilnik ............................................................................................................ 55

4.3.1 MSP430G2231 ............................................................................................................................... 55

4.3.2 Analogno digitalni pretvornik ........................................................................................................ 57

4.3.3 Logika krmiljenja sistema ............................................................................................................... 59

5 POSTOPEK IZDELAVE PROTOTIPA ............................................................................. 62

5.1 Izdelava podsestavov ................................................................................................................... 62

5.2 Glavni sestav ................................................................................................................................ 67

6 STROŠKI NAPRAVE ........................................................................................................... 72

7 SKLEP .................................................................................................................................... 74

8 VIRI ........................................................................................................................................ 75

vii

KAZALO SLIK

SLIKA 1.1: PRVE IZVEDBE LONCEV ZA KAVO [1]............................................................................................................. 1

SLIKA 1.2: IZVEDBE Z TEKSTILNIM FILTROM [1]. ............................................................................................................ 2

SLIKA 1.3: BIGGIN [2]. ............................................................................................................................................ 3

SLIKA 1.4: MODERNA KAFETIERA [3]. ......................................................................................................................... 3

SLIKA 1.5: PATENT ANGELA MORIONDA [4]. ............................................................................................................... 4

SLIKA 1.6: PRIMER ROČNE BATNO GNANE NAPRAVE [6]. ................................................................................................ 6

SLIKA 1.7: NAPRAVA GNANA S ČRPALKO [7]. .............................................................................................................. 7

SLIKA 1.8: PRIMER PARNO GNANE NAPRAVE [8]. .......................................................................................................... 7

SLIKA 1.9: PRIMER IZVEDBE Z ENOJNIM KOTLOM Z DVOJNI UPORABO [9]. .......................................................................... 9

SLIKA 1.10: IZVEDBA Z IZMENJEVALCEM TOPLOTE [9]. ................................................................................................... 9

SLIKA 1.11: IZVEDBA Z DVOJNIM KOTLOM [9]. ........................................................................................................... 10

SLIKA 1.12: ROCKET ESPRESSO EVOLUZIONE V2 [11]. ................................................................................................. 13

SLIKA 1.13: DELONGHI INISSIA [12]. ....................................................................................................................... 13

SLIKA 2.1: CEV IZ NERJAVEČEGA JEKLA [13]. .............................................................................................................. 16

SLIKA 2.2: BAKRENE CEVI [16]................................................................................................................................ 17

SLIKA 2.3: LOGOTIP PROGRAMA SOLIDWORKS [18]. ................................................................................................... 18

SLIKA 3.1: 3D MODEL KOTLA. ................................................................................................................................ 20

SLIKA 3.2: PRIKAZ TLAČNE OBREMENITVE NA PLOSKVE ................................................................................................. 21

SLIKA 3.3: ABSOLUTNI POMIK. ................................................................................................................................ 22

SLIKA 3.4: RELATIVNI POMIK. ................................................................................................................................. 23

SLIKA 3.5: NAPETOSTI. .......................................................................................................................................... 24

SLIKA 3.6: U TIP GRELCA [19]................................................................................................................................. 25

SLIKA 3.7: KONVEKCIJSKI TOKOVI V KOTLU OBARVANI PO RAZLIČNI TEMPERATURI .............................................................. 27

SLIKA 3.8: MODEL KOTLA Z GRELCEM - VIDNA POVRŠINA GRELCA. .................................................................................. 29

SLIKA 3.9: GRAF NARAŠČANJA TEMPERATURE VODE S ČASOM PRI MOČI 2200 W. ............................................................ 29

SLIKA 3.10: GRAF NARAŠČANJA TEMPERATURE VODE Z ČASOM PRI MOČI 3000 W. .......................................................... 30

SLIKA 3.11: 3D MODEL HLADILNE CEVI IZVEDBA Z VODNIM HLAJENJEM. .......................................................................... 31

SLIKA 3.12: 3D MODEL HLADILNE CEVI IZVEDBA Z ZRAČNIM HLAJENJEM. ......................................................................... 31

SLIKA 3.13: MENI ''BOUNDARY CONDITION'', NASTAVITVE ZA VTOK VODE. ...................................................................... 34

SLIKA 3.14: MENI ''BOUNDARY CONDITION'', NASTAVITVE ZA IZTOK VODE. ...................................................................... 34

SLIKA 3.15: PLOSKEV ZA IZBIRO TOČKE MERITVE. ........................................................................................................ 35

SLIKA 3.16: GRAF TEMPERATURE NA VTOKU IN IZTOKU PRI SIMULACIJI HLAJENJA Z NARAVNO KONVEKCIJO ZRAKA. ................... 36

SLIKA 3.17: PRIKAZ TOKA VODE V CEVI PRI NARAVNI KONVEKCIJI ZRAKA OBARVANEGA PO RAZLIČNIH TEMPERATURAH. ............. 37

SLIKA 3.18: GRAF TEMPERATURE NA VTOKU IN IZTOKU PRI SIMULACIJI HLAJENJA Z PRISILNO KONVEKCIJO ZRAKA. .................... 38

viii

SLIKA 3.19: PRIKAZ TOKA VODE V CEVI PRI PRISILNI KONVEKCIJI ZRAKA OBARVANEGA PO RAZLIČNIH TEMPERATURAH. .............. 38

SLIKA 3.20: GRAF TEMPERATURE NA VTOKU IN IZTOKU PRI SIMULACIJI HLAJENJA Z PRISILNO KONVEKCIJO VODE. ..................... 39

SLIKA 3.21: PRIKAZ TOKA VODE V CEVI PRI PRISILNI KONVEKCIJI VODE OBARVANEGA PO RAZLIČNIH TEMPERATURAH................. 40

SLIKA 3.22: 3D MODEL HLADILNE CEVI ..................................................................................................................... 41

SLIKA 3.23: KONČANA HLADILNA CEV....................................................................................................................... 42

SLIKA 3.24: FILTER ZA KAVO. .................................................................................................................................. 43

SLIKA 3.25: 3D MODEL FILTRA ZA KAVO ................................................................................................................... 43

SLIKA 3.26: NOSILEC ZA KAVO ZGORNJA STRAN. ......................................................................................................... 44

SLIKA 3.27: NOSILEC ZA KAVO SPODNJA STRAN. ......................................................................................................... 44

SLIKA 3.28: 3D MODEL CEVI ZA PENJENJE MLEKA. ...................................................................................................... 45

SLIKA 3.29: 3D MODEL PODSTAVKA ........................................................................................................................ 47

SLIKA 3.30: PODSTAVEK ........................................................................................................................................ 47

SLIKA 3.31: OJAČITEV NOSILCA FILTRA ..................................................................................................................... 47

SLIKA 4.1: VEZALNA SHEMA ................................................................................................................................... 51

SLIKA 4.2: DELILNIK NAPETOSTI. .............................................................................................................................. 54

SLIKA 4.3: NAPETOSTNI DELILNIK S PT100 SENZORJEM. .............................................................................................. 54

SLIKA 4.4: MSP430 LAUNCH PAD [23]. .................................................................................................................. 56

SLIKA 4.5: ZAČETNI POGOJI .................................................................................................................................... 59

SLIKA 4.6: NESKONČNA ZANKA ............................................................................................................................... 60

SLIKA 4.7: PREKINITVENE RUTINE ............................................................................................................................ 61

SLIKA 5.1: PRIKAZ KOMPONENT NASTAVKA ZA PENJENJE MLEKA. ................................................................................... 62

SLIKA 5.2: PODSESTAV NASTAVKA ZA PENJENJE MLEKA. ............................................................................................... 63

SLIKA 5.3: PODSESTAV OD HLADILNE CEVI DO NOSILCA ZA FILTER. .................................................................................. 64

SLIKA 5.4: 3D MODEL PODSESTAVA OD HLADILNE CEVI DO NOSILCA ZA FILTER. ................................................................. 64

SLIKA 5.5: KOMPONENTE HLADILNE CEVI .................................................................................................................. 65

SLIKA 5.6: SPOJITEV DELOV KATERIH ORIENTACIJA NI POMEMBNA .................................................................................. 66

SLIKA 5.7: NAMESTITEV NOSILCA IN MEDENINASTIH T KOSOV ....................................................................................... 66

SLIKA 5.8: DOKONČANA HLADILNA CEV ..................................................................................................................... 67

SLIKA 5.9: KOTEL Z NAMEŠČENIM GRELCEM. .............................................................................................................. 67

SLIKA 5.10: KOTEL Z NAMEŠČENIMA T KOSOMA, VARNOSTNIM VENTILOM IN MANOMETROM. ............................................ 68

SLIKA 5.11: DODAN NASTAVEK ZA PENJENJE MLEKA. ................................................................................................... 68

SLIKA 5.12: PRITRDITEV PODSESTAVA FILTRA ZA KAVO ................................................................................................. 69

SLIKA 5.13: NAPRAVA NAMEŠČENA NA PODSTAVEK .................................................................................................... 69

SLIKA 5.14: SESTAVLJEN MEHANSKI DEL NAPRAVE ...................................................................................................... 70

SLIKA 5.15: OMARICA Z RELEJI ................................................................................................................................ 70

SLIKA 5.16: OMARICA Z VEZJEM.............................................................................................................................. 70

SLIKA 5.17: DOKONČANA NAPRAVA ......................................................................................................................... 71

ix

KAZALO TABEL

TABELA 3.1: VREDNOSTI KOEFICIENTA TOPLOTNE PREVODNOSTI K NEKATERIH KOVIN [20]. ................................................. 26

TABELA 3.2: VREDNOSTI KOEFICIENTA PRENOSA TOPLOTE HA ZA POGOSTE MEDIJE [21]. .................................................... 27

TABELA 3.3: ELEMENTI UPORABLJENI ZA IZGRADNJO HLADILNE CEVI ............................................................................... 41

TABELA 3.4: STANDARDNI CEVNI ELEMENTI. .............................................................................................................. 48

TABELA 3.5: OSTALI STANDARDNI ELEMENTI. ............................................................................................................. 49

TABELA 6.1: CENE KOMPONENT .............................................................................................................................. 72

x

SEZNAM UPORABLJENIH SIMBOLOV

ΔP – razlika potencialov (V),

PCu – potencial bakra (V) in

Pinox – potencial nerjavečega jekla (V).

q – toplota prenesena v določenem času (W),

A – površina prenosa toplote (m2),

hc – koeficient konvektivnega prenosa toplote (W/(m2 K) ali (W/(m

2 °C)) in

dT – temperaturna razlika med tekočino in stično površino (K ali °C)

U – skupni koeficient konvektivnega prenosa toplote (W/(m2 K),

dxw – debelina stene (m),

ha, hb – koeficienta konvektivnega prenosa toplote (W/(m2 K)) in

k – temperaturna prevodnost materiala stene (W/mK)

v – hitrost vode (m/s),

Q – volumenski pretok (m3/h) in

d – notranji premer cevi (m)

h – višina na modelu (mm),

hjezična – višina jezička na filtru (mm) in

htesnila – višina tesnila (mm)

IB– bazni tok (A),

IC –kolektorski tok (A) in

hFE–kratkostični tokovni ojačevalni faktor (mm)

RB – Vrednost baznega upora (Ω),

Vizhod – kolektorski tok (V) in

VBE – kratkostični tokovni ojačevalni faktor (V)

Vout – izhodna napetost (V),

PT100– upornost senzorja (Ω),

Vin – vhodna napetost (V) in

Z1 – upornost upora (Ω)

Vout – izhodna napetost napetostnega delilnika (V) in

ADC10MEM – vrednost pretvorbe

xi

SEZNAM UPORABLJENIH KRATIC

CAD – COMPUTER AIDED DESIGN – NAČRTOVANJE S POMOČJO RAČUNALNIKA

MICROUSB – UNIVERSAL SERIAL BUS - UNIVERZALNO SERIJSKO VODILO

A/D – ANALOGNO/ DIGITALNI

SSR – SOLID-STATE RELAY – POLPREVODNIŠKI RELE

DCO – DIGITALNO KRMILJEN OSCILATOR

SPI - SERIAL PERIPHERAL INTERFACE BUS – SERIJSKO PERIFERNO VODILO

I2C - INTER-INTEGRATED CIRCUIT – SERIJSKO VODILO ZA POVEZAVE ZNOTRAJ VEZJA

DMA – DIRECT MEMORY ACCESS – DIREKTEN DOSTOP DO SPOMINA

RISC PROCESOR - REDUCED INSTRUCTION SET COMPUTER – RAČUNALNIK Z

REDUCIRANIM NABOROM UKAZOV


1

1 UVOD

1.1 Zgodovina in opis tipov kavnih aparatov

Več sto let je bilo skuhati skodelico kave preprost postopek. Praţeno mleto kavo so dodali

v lonec z vročo vodo ter pokrili s pokrovom. S tem se je začel proces infuzije kave v vodi.

Infuzija je postopek ekstrakcije zmesi ali okusov iz rastlinskega materiala tako, da jih

namočimo v topilo (v našem primeru je to voda). Pri tem topila ne zavremo, ampak ga

segrejemo na temperaturo malo pod vreliščem. Po navadi so bili ti lonci posebej

zasnovani za kuhanje kave, njihov glavni namen pa je bil zadrţati kavne usedline v loncu

tako, da smo v skodelici imeli kavo brez usedlin. Tipični modeli so zadrţali usedline s

svojo obliko. Primer je lonec z ravnim razširjenim dnom, ta lovi usedline, ki so se potopile

na dno. Poleg tega ima na vrhu oster ţleb za nalivanje, ki lovi plavajoče usedline. Druge

izvedbe vključujejo široko izboklino v sredini lonca, kamor se prav tako ulovijo usedline

med nalivanjem kave. Te izvedbe uporabljamo še danes. Prikazuje jih slika 1.1.

Slika 1.1: Prve izvedbe loncev za kavo [1].

V Franciji so okoli leta 1710 uvedli infuzijski proces kuhanja kave. Ta se danes uporablja

predvsem za kuhanje čaja. Mleto kavo so zaprli v platneno vrečko ter jo potopili v vročo

vodo, dokler ni bila doseţena ţelena jakost okusa. Ta pristop se ni uveljavil, tako da so v


2

celotnem 19. in celo 20. stoletju večinoma uporabljali kar tradicionalni pristop z

dodajanjem mlete kave direktno v vročo vodo.

V poznem 18. stoletju je bilo veliko inovacij na področju kuhanja kave iz Francije. S

pomočjo Jean Baptista de Belloya, tedaj nadškofa v Parizu, se je uveljavilo pravilo, da

kava ne sme biti dodana v vrelo vodo. Prva sodobna metoda za pripravo kave s pomočjo

filtra za kavo, je stara več kot 125 let in njena oblika se je do sedaj le malo spremenila.

Slika 1.2: Izvedbe z tekstilnim filtrom [1].

Biggin, ki izvira iz Francije okoli leta 1780 je dvostopenjski lonec. Mleta kava je bila v

zgornjem predelu zavita v tekstilno krpo. V isti predel so nalili vročo vodo, zvarek je nato

odtekel skozi luknjice na dnu zgornjega predela v spodnjega, od koder se je natočil v

skodelico preko ţleba, ki se je nahajal ob strani spodnjega predela. Kakovost kave je bila

zelo odvisna od velikosti zrn kave, preveč grobo mleta kava se ni dobro infuzirala v vodo,

preveč fino mleta pa se ni dobro napojila z vodo. Glavni problem tega pristopa je bil, da je

krpa, uporabljena za filter, bodisi iz bombaţa ali jute, pustila močan priokus.


3

Slika 1.3: Biggin [2].

Pribliţno v istem času je ameriški izumitelj britanskega rodu Benjamin Thompson (1753–

1814), znan tudi kot Grof Rumford, razvil kafetiero. V kafetiero nalijemo vodo v spodnjo

komoro ter jo segrevamo. Naraščajoča temperatura prisili vodo, da se dviguje po cevki, ki

povezuje spodnjo komoro z zgornjo. Voda pronica skozi mleto kavo ter filter in se zbira v

rezervoarju, ki je pod kavo. Dodal je tudi izolacijo v komoro s kavo ter jo tako obdrţal toplo

dalj časa.

Kafetiere so podobne avtomatom za espresso v tem, da je voda pod pritiskom. Zaradi

tega proizvajajo kavo s podobnim razmerjem ekstrakcije kave, kot pri običajnem avtomatu

za espresso. Stopnja ekstrakcije je odvisna od sorte kave in finosti mletja. Kafetiere

ustvarijo isto penasto emulzijo(''crema''), kot avtomati za espresso.

Slika 1.4: moderna kafetiera [3].


4

Kafetiere se razlikujejo od avtomatov za espresso v tem, da je voda pod bistveno niţjim

tlakom (1,5 bara namesto 9 barov). Uporabljena voda je zaradi zasnove naprave tudi

segreta na višjo temperaturo, to je nad 100°C in ne na 92-96°C, kot pri avtomatih za

espresso.

Zaradi prednosti, ki jih ponuja espresso avtomat, sem se odločil za izdelavo takšnega

koncepta.

Espresso avtomat je naprava, ki skuha kavo tako, da prisili vodo pod tlakom, ki je blizu

vrelišča skozi mleto kavo, ki se nahaja v filtru. Tako dobimo gosto, koncentrirano kavo,

imenovano espresso. Le ta je osnova za mnoge tradicionalne italijanske kavne napitke.

Prvo napravo za izdelavo espresso kave je izdelal in patentiral Angelo Moriondo v Torinu,

v Italiji. Delujoč primerek so predstavili na glavnem sejmu v Torinu leta 1884.

Slika 1.5: Patent Angela Morionda [4].

Leta 1901 je Luigi Bezzera iz Milana patentiral izboljšavo naprave. Bezzera ni bil inţenir,

ampak mehanik. Patentiral je številne izboljšave obstoječe naprave, prvi patent je bil izdan

19. decembra 1901 z naslovom "Inovacije v napravah za pripravo in takojšnjo postreţbo


5

kavnega napitka". Leta 1905 je patent kupil Desiderio Pavoni, ki je ustanovil podjetje La

Pavoni in začel komercialno proizvajati napravo.

Te naprave so danes zelo pogoste. Uporabljajo se v gostinstvu za hitro pripravo kave, vse

bolj pogoste pa so tudi izvedbe za domačo uporabo. Te so praviloma enostavnejše in

manjše ter posledično cenejše od izvedb za profesionalno uporabo. Prvotno so bile

namenjene kuhanju kave, izraz avtomat za espresso pa se je prijel kasneje pod vplivom

italijanske kulture pitja kave, kjer je espresso najbolj pogosta različica in jo pogosto

imenujejo kar ''caffe'' [5].

1.2 Delitev avtomatov za espresso

Avtomati za espresso se delijo na več kategorij, glede na to, kaj jih poganja, ločimo jih tudi

po številu kotlov in po stopnji avtomatizacije. Glede na tip pogona jih ločimo na batno

gnane, parno gnane in na naprave, ki jih poganja črpalka.

Batno gnano napravo je razvil Achille Gaggia, ustanovitelj podjetja za izdelavo kavnih

avtomatov Gaggia, v Italiji leta 1945. Zasnova ponavadi uporablja vzvod, ki ga poganja

človek, ta ustvarja pritisk na vročo vodo in jo prisili skozi mleto kavo. Zaradi te naprave se

je kot ime za aparat uveljavil pogovorni termin ''pulling a shot'', saj si moral za to, da si

skuhal skodelico kave, vleči dolgi vzvod.


6

Slika 1.6: Primer ročne batno gnane naprave [6].

Obstajata dve vrsti teh naprav. Prva deluje ročno, druga pa preko vzmeti. Z ročno

upravljavec neposredno potisne vodo skozi kavno mešanico preko vzvoda. Napravo kaţe

slika 1.6. Pri drugi, operater napenja vzmet, ki nato dovaja pritisk za napravo. Tlaki so

običajno okoli 8 do 10 bar.

Izpopolnitev batno gnane naprave je naprava gnana s črpalko Faema E61. Ta je bila

uvedena leta 1961 in je postala najbolj priljubljena oblika v gostinstvu. Namesto uporabe

ročne sile, imamo črpalko na motorni pogon. Te naprave so narejene tako, da sprejmejo

vodo direktno iz vodovoda, ali iz ločenega rezervoarja, kar je bolj pogosto v izvedbah za

domačo uporabo.


7

Slika 1.7: Naprava gnana s črpalko [7].

Tretji tip so naprave na parni pogon. Te delujejo tako, da para pod pritiskom sili vodo

skozi kavo. Prve espresso naprave so bile te vrste. Delovale so tako, da je bilo na skupen

kotel pritrjenih več glav za kavno mešanico. Tako je bilo moţno kuhati več kav naenkrat.

Ta zasnova se danes še vedno uporablja v cenejših izvedbah za domačo uporabo, saj ni

nujno, da vsebuje gibljive dele.

Slika 1.8: Primer parno gnane naprave [8].


8

V zadnjih letih so se pojavile naprave, gnane na stisnjen zrak. Ti stroji uporabljajo stisnjen

zrak, ki potiska toplo vodo skozi mleto kavo. Voda se običajno doda ţe segreta na

primerno temperaturo, bodisi iz grelca vode ali iz drugega vira. Stisnjeni zrak prihaja iz

bodisi ročne črpalke, N2 ali CO2 kartuš, pri draţjih izvedbah pa zanj poskrbi električni

kompresor. Ena od prednosti takšnih naprav je, da so precej manjše in laţje od ostalih

izvedb. Pogosto so ročne in prenosne. Prva izvedba takšnega tipa je bila AeroPress, ki jo

je izumil ameriški izumitelj Alan Adler. Predstavljena je bila leta 2005. Druga

pomembnejša izvedba je Handpresso Wild, izumilo jo je francosko inovatorsko podjetje

Nielsen inovacije SARL, leta 2007.

Espresso naprava pogosto vključuje tudi nastavek za paro, ki se uporablja za penjenje

predvsem mleka, za napitke kot so kapučino in ''caffe latte''.

Po številu kotlov ločimo naprave na izvedbe z enojnim, enojnim z dvojno uporabo ter

dvojnim kotlom. Poznamo pa tudi izvedbo z izmenjevalcem toplote.

Izvedba z enojnim kotlom lahko samo kuha kavo in ne vključuje nastavka za paro.

Njegova prednost je, da zahteva samo en kotel, zato je cenejša. Vendar so te izvedbe

relativno redke, saj je nastavek za paro preprost in zaţelen dodatek.

Poleg tega so jih zasenčile izvedbe z enojnim kotlom z dvojno uporabo. Te zdruţujejo

prednost ene komore, ki se uporablja hkrati za ogrevanje vode za kuho kave in dovod

pare za penjenje mleka. Vendar pa lahko opravljajo le eno operacijo naenkrat. Poleg tega

zahtevajo segrevalno obdobje med kuho kave in penjenjem mleka, saj je temperatura za

kuhanje kave niţja od temperature potrebne za ustvarjanje pare. Te izvedbe običajno

najdemo v cenejših izvedbah za domačo uporabo.


9

Slika 1.9: Primer izvedbe z enojnim kotlom z dvojni uporabo [9].

Nekatere naprave uporabljajo toplotni izmenjevalec. Kotel se ohranja na temperaturi malo

nad vreliščem vode, vendar voda za kuhanje kave prehaja skozi toplotni izmenjevalnik, pri

tem jemlje nekaj toplote iz vodne pare v kotlu, brez da bi se segrela na enako

temperaturo. Čeprav je temperatura vode niţja od temperature potrebne za penjenje

mleka, je še vedno previsoka za pravilno ekstrakcijo kave. Tako ta tip stroja zahteva

predhodno hlajenje, kar povprečno traja od 4 do 6 sekund. Vendar, ko je naprava na

ustrezni temperaturi, lahko skuhamo več skodelic kave brez ponovnih premorov. Če

naprava določen čas miruje, moramo postopek ponoviti. Ta tip najdemo v mnogih

avtomatih srednjega razreda. Večkrat imajo nameščene termometre za laţjo nastavitev

temperature. Vendar obstaja nekaj dvomov glede stabilnosti temperature vode, saj je

toplota neposredno pridobljena iz pare in ni vzdrţevana pri konstantni temperaturi. Prva

naprava s toplotnim izmenjevalcem je Faema E61.

Slika 1.10: Izvedba z izmenjevalcem toplote [9].


10

Zadnja izvedba je z dvojnim kotlom, srečamo jo v nekaterih avtomatih za komercialno, ali

domačo uporabo. Voda za kuho se segreva v kotlu, ločenem od vode za penjenje mleka.

Izvedba spada predvsem v višji cenovni razred naprav, čeprav jo je moţno najti tudi v

nekaterih strojih srednjega razreda. Ti so po navadi izvedeni v kombinaciji s toplotnim

izmenjevalcem. Izraz dvojni kotel se uporablja za stroje z dvema ločenima kotloma, enim

za penjenje mleka in drugim za gretje vode, ki se uporablja za kuhanje kave. Prva

naprava je bila La Marzocco GS iz leta 1970.

Slika 1.11: Izvedba z dvojnim kotlom [9].

Naprave z dvojnim kotlom imajo stabilnejšo temperaturo vode za kuho, vendar so

počasnejše in imajo slabše zmoţnosti za penjenje mleka. Na drugi strani imajo naprave z

toplotnim izmenjevalcem boljše pogoje za penjenje mleka, vendar zagotavljajo manj

stabilno temperaturo vode. Najboljše izvedbe z dvojnim kotlom zagotavljajo stabilno

temperaturo vode za kuho in hitro zagotovijo paro, vendar so večje in draţje.

Zadnja delitev naprav za kuhanje kave je glede na njihovo stopnjo avtomatizacije.

Naprave, ki imajo črpalke, senzorje in solenoidne ventile, katerih namen je avtomatizirati

postopek kuhanja, na splošno označujemo kot avtomatske. Delimo jih na polavtomatske,

avtomatske in polno avtomatske.

Polavtomatske izvedbe uporabljajo črpalko oz. tlak, namesto ročne sile za dovajanje vode

pod pritiskom. Preostali tlak se sprosti preko tri smernega potnega ventila.

Avtomatske naprave imajo avtomatizirano tudi nastavitev volumna vode, ki se uporablja

za kuho (posredno čas kuhanja). To omogoča merilnik pretoka. Ko je programirana


11

količina vode pritekla skozi senzor, se črpalka izklopi. Mletje in tlačenje kavnih zrn je še

vedno ročno.

Polno avtomatski samodejno zmelje kavo, jo potlači in jo skuha. Operater mora le polniti

rezervoar s kavnimi zrni in če stroj ni priključen direktno na vodo, dodajati vodo v

rezervoar. Nekateri modeli vsebujejo tudi avtomatsko penjenje mleka.

Polno avtomatske naprave odvzemajo moţnost, da ročno potlačimo in meljemo kavo, kar

lahko vpliva na kakovost kave. Komercialne izvedbe splošno uporabljajo princip

polavtomatskega kavnega avtomata z več filtri. Te so veliko večje od modelov za domačo

uporabo in so sposobne hitreje proizvajati kavne napitke. Veliko komercialnih strojev

lahko deluje v polno avtomatskem načinu.

Ročni ali polavtomatski stroji nudijo več nadzora nad kakovostjo, saj je čas kuhanja za

kavo kritična spremenljivka, ki je pogosto prilagojena pri vsaki skodelici. Zato so

polavtomatske naprave za kuhanje kave pogosto bolj zaţelene, kot avtomatske. Ročni

stroji so bolj priljubljeni v Evropi, kjer je bolj običajno pitje pravega espressa. Je pa večina

polno avtomatskih naprav bolj kompaktnih od naprav z ločenim mlinčkom [9].

1.3 Pogoji in postopek kuhanja kave

Postopek kuhanja kave ima zelo širok razpon teţavnosti. Od enostavne kave, ki jo

skuhamo doma, tako da mleta zrna dodamo vreli vodi, do uporabe naprav, ki stanejo več

tisoč evrov. Vendar je za pripravo konstantno dobre kave potrebno upoštevati določene

pogoje in osvojiti nekatere fizikalne osnove. Končni rezultat je kava, ki ima veliko boljši

okus, aromo in tudi izgled. Za razumevanje pomena različnih pogojev, ki vplivajo na

kvaliteto kave si moramo najprej pogledati tri principe. Ti so vlaţenje, ekstrakcija in

hidroliza.

V fazi vlaţenja voda vdre v delce kave, pri tem se izloči preostali CO2, ki je ostal iz

postopka praţenja kave. Postopek lahko vidimo, zaradi vidnega širjenja mlete kave.


12

Potem ko je voda uspešno prišla v stik z zrni, začne raztapljati kisline, sladkorje in

alkalijske spojine, ki dajejo kavi prepoznaven okus. Nato molekule vode z raztopljenimi

snovmi izstopijo iz zrn kave. To je znano kot faza ekstrakcije.

Zadnja faza je hidroliza. Hidroliza je kemijska reakcija kavnih delcev z vodo, na katero

lahko vpliva le čas. Je proces, pri katerem se velike netopne spojine razčlenijo v manjše

topne spojine. Ta proces potrebuje določen čas da poteče, vendar če mu pustimo preveč

časa začne raztapljati spojine, ki dajo kavi neprijeten okus. To so v večini tanini, ki dajejo

grenak priokus. Raztapljati pa se začne tudi kofein, ki deluje kot poţivilo. Kofein je za

mnoge poglavitni razlog da pijejo kavo, vendar je v večjih količinah tudi škodljiv. Nekateri

zato raje pijejo kavo brez kofeina. Zaradi tega je pri kuhanju kave zelo pomemben čas

stika vode z kavnimi zrni.

Čas kuhanja ni enolično določen in je odvisen od določenih dejavnikov. Najpomembnejši

je finost mletih zrn. Bolj kot so zrna fina, večja je stična površina z vodo, zato potrebuje

manj časa, da se zaključi postopek hidrolize. Bolj kot so zrna groba več časa je potrebno

za enak rezultat. Poleg tega moramo pozornost posvetiti tudi perkolaciji zrn. Torej da vodi

omogočimo, da pride v stik z vsemi delci kave. Pri kuhanju turške kave to storimo tako, da

mešanico kave in vode pomešamo. Pri kavnih avtomatih moramo za to poskrbeti s

tlakom, razpršitvijo curka in pa s pravilno finostjo mletja.

Drug pomemben dejavnik je voda, ki se uporablja za kuho kave. Poparek, ki ga spijemo,

je večinoma voda. Okus kave je mogoče enostavno pokvariti z drugimi spojinami, ki se

nahajajo v vodi. Voda zato ne sme imeti nobenega izrazitega okusa.

Tretji dejavnik je temperatura vode. Temperatura uporabljene vode je zelo pomembna.

Biti mora med 91°C in 96°C. Vendar je bliţje 96°C bolje. Vrele vode, nad 100°C, ne

smemo nikoli uporabljati, saj bo zelo poslabšala okus kave. Če dodamo vodo pri tej

temperaturi se izločijo spojine, ki povzročijo grenak okus. Voda, katere temperatura je

manjša od 91°C, bo za posledico imela premajhno ekstrakcijo iz mletih zrn, kar bo

povzročilo, da bo kava vodnata, z manj izrazitim okusom. Če so bila zrna kave pred

mletjem zamrznjena, bo to vplivalo na temperaturo vode. V tem primeru mora biti

temperatura vode, ki jo dodamo, 96°C, oziroma kakšno stopinjo več.


13

Zadnji dejavnik pa je tlak vode. Za idealni tlak se navaja vrednost okoli 9 barov. Pritisk

vpliva na hitrost prehajanja vode skozi kavo in tako določa čas kuhanja. Za espresso kavo

naj bi bil čas kuhanja okoli 20 do 25 sekund. V tem času naj bi priteklo iz aparata okoli 0.5

do 0.6 dl filtrirane kave. Kava skuhana pod tlakom ima tudi boljšo aromo. Če so pogoji

pravilni pa ima tudi izrazit sloj pene na vrhu ki jo imenujemo ''crema''. Takšna kava

vsebuje tudi manj tanina in kofeina, saj se ti spojini izločita šele v zadnji fazi hidrolize.

Posledica je, da je kava manj grenkega okusa (grenak okus povzroča tanin). Če ni

mogoče nastavljati tlaka, lahko pravilne pogoje doseţemo tudi z spreminjanjem finosti

mletja kave [10].

Na trgu je na voljo veliko profesionalnih naprav za komercialno in domačo rabo. Te

naprave imajo veliko funkcij ter so sposobne skuhati kvalitetne napitke. Vendar so tudi

zelo drage. Cene takšnih naprav so okoli 1000 do 2000 €. Tipična predstavnika sta Quick

millov model Alexia in Evoluzione v2 podjetja Rocket espresso. Druga kategorija so

cenejše naprave ki stanejo okoli 100 do 200 €. Te v večini uporabljajo kavne kapsule, ki

vsebujejo mešanico za določen kavni napitek. Primer je DeLonghi Inissia, ki uporablja

kapsule Nespresso. Problem le teh so drage kapsule, v primerjavi z mleto ali kavo v zrnu.

Slika 1.12: Rocket espresso Evoluzione v2

[11].

Slika 1.13: DeLonghi Inissia [12].

Zelo redke pa so cenejše naprave, ki omogočajo skuhati filtrirano kavo ter speniti mleko.

Zato smo se odločili izdelati prav takšno. Ker ima večina kavnih napitkov za osnovo

espresso kavo, je mora naprava omogočati pripravo več kavnih napitkov, kot so kave z


14

mlekom, ''caffe latte'', kapučino in tako dalje. Torej je cenovno ugodna, a obenem

omogoča pripravo kvalitetne osnove za več kavnih napitkov. Naprava mora omogočati

prave pogoje za pripravo dobre kave, kot so primerna temperatura in tlak vode.

Sposobna mora biti tudi peniti mleko.

Zaradi omejitve s ceno, smo se omejili na osnovne postopke izdelave kot so frezanje,

struţenje, laserski razrez, varjenje in spajkanje. Prav tako smo, kjer je bilo moţno,

uporabili standardne elemente. Za proračun smo postavili omejitev od 100 do 150 €, kar

je ugodna cena za prototip takšne naprave.

V nadaljevanju bo opisana zasnova naprave in njenih sestavnih delov. Najprej smo

naredili 3D model naprave v programu Solidworks. Tako smo laţje dimenzionirali

komponente. Prav tako smo, kjer je bilo potrebno, za zasnovo komponente uporabili

simulacijske modele. Ti so nam pomagali pri preverjanju obremenitev ter za določitev

časov in stopnje segrevanja in hlajenja, ki je kritičnega pomena za takšno napravo.

Vključen je tudi postopek izdelave prototipa, ter stroški izdelave. Pomemben del pa je tudi

regulacija temperature in tlaka s programom zapisanim v C kodi ter vsemi komponentami,

ki so potrebne za izvedbo vodenja.


15

2 OPIS ZASNOVE NAPRAVE

Ker obstaja več izvedb kavnih avtomatov, smo se najprej morali odločiti kakšen tip

naprave bomo izdelali. Pri tem smo morali upoštevati vse kriterije, ki smo si jih zastavili.

Naprava mora biti sestavljena iz čim manj kompleksnih elementov, izdelava mora biti v

okviru finančnega načrta. Poleg tega pa mora biti kvalitetna in sposobna pripraviti okusno

kavo, torej vzdrţevati primerne pogoje temperature in tlaka. Preučili smo prednosti in

slabosti vsake izvedbe ter se na podlagi tega odločili, katera je najboljša za naš namen.

Naprava bo temeljila na električnem grelcu, ta bo dovajal energijo, potrebno za gretje

vode. Grelec bo integriran v kotlu. Odločili smo se za izvedbo z enojnim kotlom z dvojno

uporabo. Ta izvedba omogoča tudi penjenje mleka, poleg tega je znatno cenejša od

izvedbe z dvema kotloma, zaradi manj potrebnih komponent. Sicer ne moremo peniti

mleka in kuhati kave obenem, vendar pride to do izraza samo v komercialni uporabi, kjer

se pripravljajo velike količine kave. Za domačo uporabo pa zaradi kratkega intervala, ki je

potreben za pripravo napitka in manjše količine kave, to ne pride do izraza.

Nadalje smo izbrali pol avtomatsko izvedbo. Pol avtomatska izvedba je bolj zaţelena, ker

omogoča prilagajanje časa kuhanja. Finost mlete kave se razlikuje, prav tako na to

vplivajo tudi osebne preference uporabnika. Zaradi tega je teţko narediti avtomatsko

napravo, ki bi ustrezala vsakemu okusu. Pri pol avtomatski napravi te teţave ni. Za

uporabnika pa se ne poslabša uporabniška izkušnja. Prav tako si lahko sam prilagaja

količino kave, ki jo ţeli zauţiti. Preostali dve izvedbi bi poleg tega presegli proračun.

Vsebujeta dodatne komponente, ki so predrage in zahtevata več nestandardnih

komponent.

Sledila je izbira materiala za izdelavo. Pri tem smo morali upoštevati, da bo naprava v

stiku z pijačo. Zaradi tega je potrebno izbrati material, ki je primeren za ţivilsko industrijo.

Zaradi visokih temperatur ter konstantnega nihanja temperature je bilo potrebno izbrati

material, ki je korozivno odporen brez dodatnega zaščitnega sloja. Ostati mora kemijsko

neaktiven in ne sme reagirati z drugimi materiali ali tekočinami. Struktura mora zdrţati

visoke tlake do 10 barov pri temperaturah od 0 do 150°C. Zato smo napravo izdelali iz

nerjavečega jekla (inox) kvalitete AISI 304 (1.4301), AISI 316L (1.4404) namenjenega za

ţivilsko industrijo. Uporabili smo tudi baker in medenino.


16

Inox smo uporabili za izdelavo kotla in nosilca za kavni filter. Dosti standardnih delov je

tudi iz nerjavečega jekla.

Slika 2.1: Cev iz nerjavečega jekla [13].

Inox je ţelezova zlitina, ki vsebuje najmanj 50% ţeleza. Njegova osnovna lastnost je

odpornost proti rjavenju in kislinam, kar pomeni, da ob dolgotrajnejšemu stiku z vodo ne

korodirajo. Odpornost mu dajejo legirni elementi. Glavna med njimi sta krom in nikelj.

Krom daje zlitini splošno odpornost proti rjavenju ţe pri manjših koncentracijah. Zlitina

spremeni svoje kemične lastnosti in postane odporna na oksidacijo. Poleg tega poveča

tudi trdnost in toplotno odpornost zlitine. Nikelj kot drugi pomemben legirni element,

poveča odpornost jekla proti rjavenju ţe pri 7 % koncentraciji. Vpliva pa tudi na ţilavost

jekla. Da bi se izognili rjavenju inoxa, moramo pri obdelavi nujno upoštevati naslednja

pravila:

- ne smemo uporabljati orodja (ključi, klešče, primeţi), ki je bilo pred tem uporabljeno za

delo s korozijsko neodpornim jeklom,

- ne smemo uporabljati brusnih kolutov, ki so bili pred tem uporabljeni za brušenje ali

rezanje korozijsko neodpornega jekla,

- opilki korozijsko neodpornega jekla ne smejo priti na površino nerjavečega jekla,

- ne smemo uporabljati rezilnega orodja ( ţage, pile, risalne igle), ki je bilo pred tem

uporabljeno za delo s korozijsko neodpornim jeklom,

- ne smemo uporabljati brusnega platna in krtač, ki so bile pred tem uporabljene za

obdelavo korozijsko neodpornega jekla [14].


17

Baker je visoko odporen proti vsaki vrsti korozije in se ga da z lahkoto oblikovati. Na

bakreni površini ne morejo nastati bakterije, ker je baker biostatičen. Da bi širitev bakterij

omejili, se kovina okrepljeno uporablja pri proizvodnji ţivil in v klimatskih napravah.

Uporabili smo ga za hladilno cev za vodo, ter za nastavek za penjenje mleka, kjer poleg

njegovih antikorozijskih lastnosti pridejo do izraza njegove biostatične lastnosti [15].

Slika 2.2: Bakrene cevi [16].

Medenina je zlitina bakra in cinka, njena prednost je v višji trdoti. Uporabili smo jo za

pritrditev cevi na ostale dele naprave. Izbrali smo jo predvsem zato, ker so cevni nastavki

iz medenine poceni in najlaţje dostopni, saj se pogosto uporabljajo v klimatski in sanitetni

industriji.

Zadnji faktor, ki smo ga morali upoštevati pri izbiri materialov, je galvanska korozija.

Nastane, kadar se med dvema deloma konstrukcije z različnimi kemijskimi in

mikrostrukturnimi lastnostmi vzpostavi elektroprevodnost. Pri tem del konstrukcije

prevzame vlogo anode, ki korodira hitreje, del pa vlogo katode, ki korodira počasneje.

Korozijo povzroča potencialna razlika med materialoma. Ta ne sme presegati 0,25 V za

normalne pogoje, oziroma 0,15 V za zelo korozivne pogoje, kot je slana voda. Bakrov

potencial znaša -0,35 V. Potencial medenine je -0,40 V, medtem ko je potencial inoxa -

0,50V.

(2.1)

Pri čemer je:

ΔP – razlika potencialov (V),

PCu – potencial bakra (V) in

Cu inoxP P P


18

Pinox – potencial nerjavečega jekla (V).

V enačbi (2.1) vidimo izračun za razliko potencialov med bakrom in nerjavečim jeklom.

Med njima obstaja največja razlika potencialov, zato sta v tej napravi najbolj izpostavljena

galvanski koroziji. Vendar ta ne presega 0,15 V, kar je ustrezno tudi za zelo korozivna

okolja. Iz tega je razvidno, da med izbranimi materiali ne prihaja do galvanske korozije

[17].

2.1 Solidworks

Za izgradnjo 3D modela in za potrebne simulacije smo uporabili program Solidworks in

njegova modula Simulation in Flow simulation. Ta smo uporabili za izvedbo vseh

potrebnih simulacij. Modul Flow simulation smo uporabili za simulacijo naraščanja

temperature v kotlu in simulacijo hlajenja vode. Modul Simulation pa za simulacijo tlačne

obremenitve kotla.

Slika 2.3: Logotip programa Solidworks [18].

Solidworks je programski paket za računalniško podprto konstruiranje in inţenirske

analize. V osnovi zajema 3D modelirnik, modul za sestavljanje in modul za izdelavo

tehniške dokumentacije. Z mnogimi moduli je uporaben na različnih tehničnih področjih

kot so strojništvo in elektrotehnika. Temelji na jedru Parasolid.


19

Solidworks je zmogljiv in enostaven programski paket, ki je priljubljen zaradi relativno

enostavne uporabe. Razvija ga podjetje Solidworks Corporation, teče na operacijskem

sistemu Microsoft Windows. Program je bil eden izmed prvih CAD programov, zasnovanih

za ta operacijski sistem. Prva različica je bila predstavljena leta 1993.

Modul Simulation je zmoţen izvesti več različnih tipov simulacij, kot so simulacija končnih

elementov, termične analize, analize utrujenosti materiala, vibracijske analize, simulacije

gibanja in hlajenje elektronskih komponent. Uporabili smo ga za simulacijo tlačne

obremenitve kotla.

Modul Flow simulation je bolj specifičen modul in je namenjen simulacijam tokov fluidov,

prenosu toplote in sil, ki jih povzročajo tokovi. Spremljamo lahko vse parametre fluidov in

komponent, ki so v stiku z njimi. Med njih spadajo temperatura, tlak in hitrost. Uporablja se

tudi za simulacije hlajenja elektronskih elementov bodisi s prisilnim hlajenjem ali preko

naravne konvekcije. Uporabili smo ga za simulacijo gretja kotla in za simulacijo hlajenja

vode v hladilni cevi [18].


20

3 OPIS KOMPONENT NAPRAVE

V poglavju sledi opis vseh komponent naprave, postopek njihove izbire zasnove in

izdelave. Izvedene so bile tudi vse potrebne simulacije, kjer je bilo potrebno. Te so

vključene pri posameznih komponentah.

3.1 Kotel

Slika 3.1: 3D Model kotla.

Srce naprave je kotel, ki ga vidimo na sliki 3.1. Narejen je iz nerjavečega jekla in je

zvarjena konstrukcija. Za nerjaveče jeklo smo se odločili, ker lahko prenese velike tlake, je

korozivno odporno, prav tako pa je na voljo v obliki cevi, večjih dimenzij. Inox cev je tudi

cenejša od podobne bakrene cevi. Velikost smo prilagodili glede na potreben volumen

vode. Odločili smo se za volumen med 2 in 3 l. Tako je vode za penjenje mleka in kuhanje

kave dovolj. Upoštevali smo standardne velikosti cevi, ki so na voljo in velikosti grelcev za

vodo. Končna prostornina kolta je 2,8 l.

Kotel je izhodišče za vse ostale dele naprave, saj je nanj pritrjen nastavek za penjenje,

filter za kavo (preko hladilne cevi) in grelec za vodo. Sestavljen je iz cevi zunanjega

premera 102 mm, dveh prirobnic enakega premera in debeline pločevine 3 mm ter štirih

cevni varilnih nastavkov. Odprta konca cevi sta zaprta s prirobnicami in tako tvorita zaprt

prostor. Stena cevi ima prav tako debelino 3 mm. Dolţina cevi je 400 mm. Cev je


21

standardnih dimenzij. Cevni varilni nastavki so v dveh velikostih, in sicer 1 cola (25.4 mm)

in ¼ cole (6.35 mm). Vse pa imajo notranji colski navoj. Colski navoj smo izbrali, ker je

zanj najlaţje najti standardne cevne elemente. Na manjši cevni varilni nastavek sta

pritrjena nastavek za penjenje in hladilna cev. Prva, večja cev, velikosti 1 cola (25.4 mm),

je privarjena na prirobnico, nanjo se pritrdi grelec. Druga, manjša cev pa se uporablja kot

dotok sveţe vode v kotel. Na vrhu kotla so tri izvrtine, kamor so privarjeni preostali trije

cevni varilni nastavki. Posebno pozornost je bilo treba posvetiti uporabljenemu orodju,

zaradi preprečitve korozije komponent. Vsi zvari so morali biti tudi vodotesni pri visokem

tlaku, zato so morali biti brez napak.

3.1.1 Simulacija tlačne obremenitve kotla

Zaradi velikega tlaka v kotlu, je bilo potrebno pred izdelavo vse komponente preveriti, če

bo konstrukcija zdrţala obremenitev. Tlak v kotlu lahko naraste do 10 barov. Pri takšnih

tlakih lahko ob porušitvi, pride do hudih poškodb uporabnika in okolice. Zato je še posebej

pomembno, da se zagotovi, da je vsaka komponenta pravilno dimenzionirana in bo

prenesla obremenitve. V ta namen smo izdelali poseben 3D model za potrebo tlačne

simulacije. Uporabili smo Solidworksov modul ''Simulation''. Ta nam med drugim omogoča

izvesti simulacijo tlačne obremenitve na model.

Slika 3.2: prikaz tlačne obremenitve na ploskve

Simulirali smo konstantno obremenitev 10 barov, na notranje ploskve modela. Uporabili

smo ukaz Pressure, ki se nahaja pod External loads.. Vse odprtine za priključke smo


22

zaprli z pokrovi, za bolj realistični prikaz. Model smo togo pritrdili s prirobnico. To smo

storili, ker mora imeti model vsaj eno pritrditveno točko, da se simulacija izvede. To smo

storili z ukazom Fixed geometry. Za stik med komponentami smo pustili kar Bonded

contact. Nato smo simulacijo pognali.

Pri simulaciji smo upoštevali tudi vpliv varjenja, saj se mikrostruktura zlitine pri varjenju

spremeni. Pri dodajanju zvarov med cevjo in prirobnicami je prišlo do problema, saj se

zvar definira glede na dve ploskvi pod določenim kotom. V našem primeru je to pravi kot.

Zato smo morali podaljšati prirobnice preko osnovnih dimenzij. Na ta način nismo vplivali

na rezultate simulacije, smo pa dodali vpliv varjenja. Drugače se dimenzijsko model

popolnoma ujema z osnovnim modelom kotla. Za material smo izbrali nerjaveče jeklo

kvalitete AISI 316, kar je dovolj dober pribliţek.

Rezultate prikazujejo slike 3.3, 3.4 in 3.5. Jakost prikazuje barvna lestvica od modre do

rdeče. Pri tem je najniţja stopnja obarvana z modro, najvišja pa z rdečo.

Absolutni pomik je sprememba oblike ali velikosti objekta, zaradi delovanja sile ali

spremembe temperature. Merimo jo v mm. Na sliki 3.3 vidimo prikaz absolutnih pomikov,

na modelu, pod vplivom tlaka. Največji je v rdeče obarvanih območjih. Vendar je povsod v

elastičnem področju. Največja deformacija znaša 0,0224 mm.

Slika 3.3: Absolutni pomik.


23

Relativni pomik je opis deformacije v smislu relativnih premikov delcev v telesu, ki

izključuje premike togega telesa. Opisuje premik delcev pod vplivom sile, glede na

začetno lego telesa. Ker je relativni pomik razlika med začetno in končno lego neke točke,

je brez enot. Prikazuje ga slika 3.4. Kot vidimo, na modelu ni večjih relativnih pomikov.

Največji je v zeleno obarvanih območjih, kjer znaša samo 59 10 .

Slika 3.4: Relativni pomik.

Napetost je sila na ploskovno enoto, v našem primeru je enota N/m², imenuje se tudi

Pascal. Glede na smer delovanja ločimo tlačno, natezno, upogibno, striţno, uklonsko in

torzijsko napetost. Gre za notranjo porazdelitev sil v telesu, ki uravnovešajo zunanje sile.

Napetost je v splošnem tenzor 2. reda z devetimi komponentami, od katerih pa jih je le

šest neodvisnih. Največjo moţno napetost v danem materialu imenujemo trdnost, to je

rušilna napetost. Iz slike 3.5 je razvidno, da v modelu ni nevarnih napetosti. Vse so v

dovoljenih mejah, največje so v zeleno obarvanih območjih, kjer znašajo okoli 20 Mpa.


24

Slika 3.5: Napetosti.

Iz rezultatov je razvidno da je komponenta ustrezno dimenzionirana za dani tlak.

Rezultate potrjuje tudi realni model. Med preizkušanjem je prenesel večkratno

obremenitev do odprtja varnostnega ventila. Prav tako je prenesel dolgotrajno tlačno

obremenitev.

3.2 Grelec vode

Za gretje vode na primerno temperaturo smo potrebovali grelec. Zaradi praktičnosti in

ugodne cene, smo se odločili za električni grelec. Električnih grelcev je veliko vrst. Odločili

smo se, da mora biti grelec standarden, omogočati mora segretje vode v nekaj minutah,

poleg tega mora zdrţati velik tlak, ki se ustvari v kotlu. Grelec je moral imeti tudi primerno

moţnost pritrditve v kotel. Ta je morala zagotoviti vodotesnost pri tlaku 10 bar. Kot

najboljša moţnost se je izkazal grelec z navojem. Grelec je moral biti tudi dovolj

kompakten, da smo ga lahko namestili v kotel. Le ta ni smel biti prevelik, saj za kavo ne

potrebujemo veliko vode. Grelec je moral biti tudi dovolj oddaljen od sten kotla, saj bi to

lahko povzročilo pregretje in posledično uničenje grelnega telesa.


25

Slika 3.6: U tip grelca [19]

Na koncu smo se odločili za 220 V grelec s colskim navojem in tesnilom. Je cevne

izvedbe tipa U. Ta nam omogoča več stične površine z vodo, kar pomeni hitrejše segretje

vode, a je obenem dovolj kompakten, da ga lahko vstavimo skozi eno (1) colsko (25.4

mm) odprtino. Njegov prvotni namen je za hišni grelec sanitarne vode, tako da bo tudi

dovolj močan. Poleg tega je ta izvedba poceni, saj se izdeluje velikoserijsko.

3.2.1 Simulacija hitrosti naraščanja temperature vode v kotlu

Za potrebe dimenzioniranja moči grelca vode, je bilo potrebno izdelati tudi simulacijo

hitrosti naraščanja temperature v kotlu. Za namen te simulacije smo uporabili

Solidworksov modul ''Flow simulation''. Ta nam omogoča simuliranje naravne konvekcije,

ki nastopi v kotlu po začetku gretja in odločilno vpliva na hitrost gretja vode, saj povzroči

mešanje tople vode, ki je blizu grelca in hladne vode, ki je od grelca bolj oddaljena.


26

Konvekcija je prenos toplote z gibanjem molekul v tekočinah in plinih. Ne poteka v trdnih

telesih. Poznamo naravno in prisilno konvekcijo. Naravna konvekcija nastane zaradi razlik

v gostoti medija, ki se pojavljajo ob neenakomernem segrevanju. Prisilna konvekcija pa

nastane pod vplivom zunanjih sil. Na primer toka tekočine, ki ga povzroča črpalka.

Opisuje jo enačba (3.1).

cq h A dT (3.1)

Tu je:

q – toplota prenesena v določenem času (W),

A – površina prenosa toplote (m2),

hc – koeficient konvektivnega prenosa toplote (W/(m2 K) ali (W/(m2 °C)) in

dT – temperaturna razlika med tekočino in stično površino (K ali °C)

V tej simulaciji smo zato morali določiti skupni koeficient konvektivnega prenosa toplote za

steno kotla, ki je v stiku s tekočino. Tako smo dosegli, da je simulacija upoštevala

mešanje tekočine. Koeficient lahko pribliţno določimo z uporabo tabel, kjer upoštevamo

tip konvekcije in medija, ki sta na vsaki strani stene. Lahko pa ga izračunamo s pomočjo

enačbe (3.2). Ta enačba se uporablja za izračun koeficienta za potrebe toplotnih

izmenjevalcev.

1 / (1 / / 1 / )A w BU h dx k h (3.2)

Tu je:

U – skupni koeficient konvektivnega prenosa toplote (W/(m2 K),

dxw – debelina stene (m),

ha, hb – koeficienta konvektivnega prenosa toplote (W/(m2 K)) in

k – temperaturna prevodnost materiala stene (W/mK)

Tabela 3.1: vrednosti koeficienta toplotne prevodnosti k nekaterih kovin [20].

Kovine k (W/m·K)

Baker - čist 400

Aluminij - čist 230

Ţelezo - čisto 80


27

Ţelezo – kovno 59

nerjavno jeklo (15%Cr, 0,1%C) 26

medenina (61,5%Cu, 38,6%Zn) 79

Koeficient k je odvisen od uporabljenega materiala. Tabela 3.1 prikazuje koeficient k za

nekatere pogoste kovine. Nerjaveče jeklo ima vrednost 26 W/mK. Debelina stene je

3 mm.

Tabela 3.2: vrednosti koeficienta prenosa toplote ha za pogoste medije [21].

Medij ha (W/(m2 K))

Zrak 10-100

Voda 500-10000

Koeficient h je odvisen od medija, preko katerega se prenaša toplota. Odvisen je tudi od

tipa konvekcije ter pogojev kot sta temperatura in tlak. Pri naravni konvekciji zraka znaša

ha okoli 10 W/(m2 K), hb za vodo pri naravni konvekciji pa okoli 500 W/(m2 K). Tako

dobimo skupni koeficient konvektivnega prenosa toplote za steno 9,79 W/(m2 K).

Slika 3.7: Konvekcijski tokovi v kotlu obarvani po različni temperaturi

Za površino grelca smo definirali moč grelca. Vrednost smo spreminjali in opazovali, kako

dolgo potrebuje voda, da doseţe temperaturo 140°C.


28

Modul ne omogoča izračun naraščajočega tlaka, kot posledice segrevanja vode. Zato smo

morali pribliţno določiti temperaturo, pri kateri bo tlak imel ustrezno vrednost.

Temperaturo smo določili na podlagi Gay-Lussacovega zakona vidimo ga v enačbi (3.3).

Ta pravi da če imamo enak medij v zaprti posodi je razmerje med tlakom in temperaturo

vedno enako. Na podlagi tega lahko pribliţno določimo koliko bo narastel tlak z

naraščanjem temperature.

1 2

1 2

P P

T T (3.3)

Tu je:

P – tlak (bar) in

T – temperatura (°C)

Če je začetna temperatura 20°C in končna 140°C, bo tlak narastel iz 1 bara na pribliţno

7 barov. Pri tem moramo upoštevati še, da se bo voda spremenila v paro, kar bo vplivalo

na gostoto. Zaradi tega bo tlak še dodatno narastel in bo znašal še več kot 10 bar.

Podobne izsledke je pokazal tudi realni preizkus.

V simulaciji smo upoštevali tudi prenos toplote v kovinah in vpliv gravitacije. Problem

zahteva časovno odvisno simulacijo. Za medij smo izbrali vodo. Nato smo nastavili

začetne pogoje. Temperaturo vode smo postavili na 20°C, za tlak smo izbrali kar ciljni tlak

10 barov, saj, kot smo omenili, simulacija ne upošteva naraščanja tlaka. Temperaturo

kovine smo prav tako nastavili na 20°C. Za stene v stiku z vodo smo izbrali realno steno

in nastavili skupni koeficient konvektivnega prenosa toplote na 9,79 W/(m2 K). Za cilje

smo izbrali povprečno temperaturo vode. Nastavili smo tudi moč grelca. Izbrali smo dve

moči in sicer 2200 W in 3000 W. Nato smo primerjali razliko v času gretja.


29

Slika 3.8: Model kotla z grelcem - vidna površina grelca.

Slika 3.9 prikazuje graf naraščanja temperature fluida. Izbrana moč grelca je 2200 W.

Vidimo, da temperatura naraste na 140°C v okoli 700s.

Slika 3.9: Graf naraščanja temperature vode s časom pri moči 2200 W.

Slika 3.10 prikazuje graf z izbrano močjo grelca 3000 W. Vidimo, da temperatura naraste

v okoli 500s. Kar je 200s hitreje kot na prejšnjem grafu. Na podlagi tega rezultata smo se

odločili, da izberemo grelec z močjo 3000 W. Razlika je velika, ceni grelcev pa sta

podobni.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Tem

pe

ratu

ra v

od

e [

°C]

Čas [s]


30

Slika 3.10: Graf naraščanja temperature vode z časom pri moči 3000 W.

3.3 Hladilna cev

Ker smo izbrali izvedbo z enojnim kotlom z dvojno uporabo, pride do problema previsoke

temperature vode. Za dosego tlaka 9 bar moramo vodo segreti preko dovoljenih 96°C za

pripravo okusne kave. Poleg tega potrebujemo paro tudi za penjenje mleka. Izračun je

pokazal, da bo voda dosegla tudi do 140°C, kar bi povzročilo grenak okus kave. Pri tej

izvedbi se torej ne moremo izogniti vmesnemu hlajenju vode, preden pride v stik z mleto

kavo v filtru.

Zaradi tega smo se odločili zasnovati hladilno cev, katere naloga bo ohladiti vodo na

temperaturo med 92°C in 96°C. Ker je hladilna cev v osnovi toplotni izmenjevalec, smo

preučili več moţnih izvedb. Izbrali smo cevno izvedbo, ker je enostavna za vgradnjo,

posledično pa tudi cenejša.

Splošna funkcija izmenjevalnika toplote je prenos toplote iz enega fluida v drugega. Na

osnovni toplotni izmenjevalec je mogoče gledati kot na cev, skozi katero teče prva

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 100 200 300 400 500 600

Tem

pe

ratu

ra v

od

e [

°C]

Čas[s]


31

tekočina, druga tekočina pa teče z zunanje strani. Pri izmenjevalcih toplote so tako ključni

trije dejavniki, ki vplivajo na njihovo učinkovitost pri odvajanju toplote:

konvektivni prenos toplote iz tekočine v notranji cevi na notranjo steno cevi,

prenos toplote skozi steno cevi in

konvektivni prenos toplote iz zunanje stene cevi na zunanjo tekočino.

Medij, ki teče po notranji cevi je vodna para, morali pa smo določiti material cevi in pa

zunanji medij. Za material smo izbrali baker. Izbiri je botrovalo dejstvo, da je baker odličen

prevodnik toplote, poleg tega pa ga je laţje obdelovati. Toplotno prevodnost nekaterih

kovin kaţe tabela 3.1. Bakrene cevi so tudi zelo dostopne in so na voljo kot standardni

elementi v več dimenzijah. Za zunanji medij smo poizkušali več variant. Odločitev pa smo

sprejeli na podlagi izvedene simulacije hlajenja, kjer smo dognali, kateri medij omogoča

zadostno stopnjo hlajenja. Preizkusili smo hlajenje s pomočjo naravne konvekcije zraka,

prisilne konvekcije zraka in prisilne konvekcije vode. Pri izvedbah z zrakom bi potrebovali

samo eno cev, kar bi še dodatno pocenilo izvedbo. Pri izvedbi z vodo bi potrebovali še

zunanjo cev z nastavkoma in dodaten solenoidni ventil za regulacijo vtoka hladne vode,

kar bi pomenilo dodatno podraţitev naprave.

Slika 3.11: 3D model hladilne cevi

izvedba z vodnim hlajenjem.

Slika 3.12: 3D model hladilne cevi izvedba z zračnim

hlajenjem.

Hladilno cev smo najprej zasnovali kot spiralo. Prikazujeta jo sliki 3.11 in 3.12. Vendar

smo morali zasnovo spremeniti zaradi zahtevne izdelave spiralne cevi in s tem povezane


32

visoke cene. Odločili smo se za zasnovo iz standardnih elementov in ravnih odsekov cevi.

Prikazuje jo slika 3.22. Podrobnejši opis sledi v nadaljevanju.

3.3.1 Simulacija hlajenja vode v hladilni cevi

Za določitev dolţine hladilne cevi, kot tudi tip hladilnega medija smo izdelali simulacijo

hlajenja vode. Za simulacijo smo uporabili Solidworksov modul ''Flow simulation''. Za

potrebe simulacije smo uporabili 3D model hladilne cevi za zračno hlajenje, zaradi laţje in

hitrejše izvedbe simulacije. Ta model prav tako omogoča simulacijo z vodnim hlajenjem.

Prikazuje ga slika 3.12.

Kot pri simulaciji naraščanja temperature vode v kotlu, smo morali tudi tu izračunati skupni

koeficient konvektivnega prenosa toplote. Zopet smo uporabili enačbo (3.2). V tem

primeru imamo drug material, in sicer baker. Zato znaša koeficient k 400 W/mK. Debelina

stene je 1 mm. Ker smo naredili različne simulacije z različnimi mediji in tipi konvekcije,

smo morali za vsako izračunati skupni koeficient konvektivnega prenosa toplote. Ta

parameter ključno vpliva na rezultate simulacij.

Pri prvi simulaciji smo poizkusili hlajenje s pomočjo zunanjega zraka in naravne

konvekcije. Koeficient ha za zrak znaša 10 W/(m2 K), hb za vodo pa 6000 W/(m2 K), saj

imamo v tem primeru naravno konvekcijo. Tako dobimo skupni koeficient konvektivnega

prenosa toplote za steno 9,98 W/(m2 K).

Pri drugi simulaciji smo dodali efekt prisilne konvekcije zraka, za pospešitev hlajenja. V

praksi to pomeni dodatek ventilatorja, ki piha hladen zrak na hladilno cev. Zaradi tega

znaša koeficient ha za zrak 100 W/(m2 K). Skupni koeficient konvektivnega prenosa

toplote za steno zaradi tega naraste na 98,28 W/(m2 K). Koeficient hb ostane pri vseh treh

simulacijah enak.

Pri tretji simulaciji smo dodali prisilno konvekcijo vode, za pospešitev hlajenja. To pomeni

dodatek večje cevi po kateri se pretaka hladna voda. Zaradi tega koeficient ha dobi večjo

vrednost, saj se zamenja medij. Namesto zraka imamo sedaj vodo. Vrednost tako znaša

6000 W/(m2 K). Skupni koeficient konvektivnega prenosa toplote za steno, zaradi tega

naraste na 2933,98 W/(m2 K).


33

Nato smo morali izračunati pribliţno hitrost vode v notranji cevi, saj to vpliva na čas stika s

hladilnim medijem. Sicer hitrost ni zelo pomemben kriterij, saj imamo na koncu cevi

solenoidni ventil, ki se ob previsoki temperaturi zapre, tako da je v tem primeru hitrost 0.

Bo pa hlajenje pri večji hitrosti omogočalo krajši čas kuhanja kave, saj ne bo potrebno

čakati na hlajenje vode. Hitrost smo Izračunali s pomočjo volumenskega pretoka. Tega

smo lahko v tej točki pribliţno določili eksperimentalno. Hitrost smo izračunali po enačbi

(3.4).

2

36002

Qv

d

(3.4)

Tu je:

v – hitrost vode (m/s),

Q – volumenski pretok (m3/h) in

d – notranji premer cevi (m)

Za pretok smo določili vrednost, 0,06 m3/h, kar je 1 l/min, premer cevi je 12 mm. Tako

smo izračunali hitrost fluida, ki znaša 0,15 m/s. S tem smo imeli vse podatke, ki smo jih

potrebovali za simulacijo in smo lahko začeli z nastavitvijo parametrov simulacije v

programu Solidworks ''Flow simulation''.

Za to simulacijo smo izbrali notranji tip simulacije, ker opazujemo fluid, ki teče po cevi.

Izbrali smo moţnosti za prenos toplote v kovinskih delih modela, ker opazujemo prenos

toplote skozi baker. Dodamo še časovno odvisno simulacijo in pa vpliv gravitacije za bolj

natančen rezultat. Za tekočino izberemo vodo in omogočimo tako laminaren kot

turbulenten pretok. Za material modela izberemo baker. Nato določimo parametre stene

cevi. Izberemo moţnost nastavitve koeficienta prenosa toplote in ga nastavimo za prvo

simulacijo na 9,98 W/(m2 K). Določimo tudi temperaturo zunanje stene cevi, kar simulira

temperaturo zunanjega fluida. Segretje zunanjega fluida, kot posledico višje temperature

vode v cevi zanemarimo. Čas simulacije določimo na 10s. To storimo v meniju

''calculation control''. Vtok in iztok zapremo s pokrovoma, ker program za delovanje

potrebuje zaprt prostor. Kasneje bomo pokrova definirali kot vtok in iztok.


34

Izberemo notranjo steno pokrova na vtoku in dodamo ''boundary condition'', izberemo

moţnost določitve hitrosti in jo izberemo v vrednosti 0,15 m/s. Temperaturo tekočine

nastavimo na 140°C. Določimo še tlak okolice, definiramo ga na pokrovu iztoka, zopet s

funkcijo ''boundary condition'', ampak izberemo tlak okolice 9 bar, temperaturo nastavimo

na 20°C, ta temperatura bo samo na izhodni točki, ko pride tok do iztoka bo narastla na

140°C.

Slika 3.13: Meni ''boundary condition'',

nastavitve za vtok vode.

Slika 3.14: Meni ''boundary condition'',

nastavitve za iztok vode.

Nato določimo še cilje, ki jih bomo opazovali. Izberemo povprečno temperaturo tekočine,

temperaturo na vtoku za opazovanje pravilnosti delovanja in za referenco. Z istim

namenom izberemo še povprečno hitrost fluida. Za pravilni prikaz temperature na iztoku,

moramo narediti še majhno ploskev v sredini cevi. Problem je, da za definicijo

ploskovnega cilja potrebujemo ploskev, če izberemo pokrov iztoka pa dobimo popačen

rezultat, saj se upošteva še dodaten odvzem toplote na površini pokrova, kar seveda na

realnem modelu ne obstaja. Zato narišemo v sredini cevi majhno ploskev kjer merimo

temperaturo, tako je obkroţena z fluidom in dobimo pravilne meritve. Ker je ta ploskev


35

premera 0,5 mm, pa le-ta ne vpliva veliko na pretok. Nato zaţenemo simulacijo. Po vsaki

simulaciji spremenimo konstanto prenosa toplote za steno cevi in tako spremenimo fluid,

ki obdaja cev.

Slika 3.15: Ploskev za izbiro točke meritve.

Spodnji graf prikazuje rezultate prve simulacije. Rdeča krivulja prikazuje temperaturo

tekočine na iztoku. Temperatura pada s časom in na koncu upade na 123°C. Kar ni dovolj

za naš namen, saj potrebujemo največ 96°C, sicer bomo imeli kavo z grenkim okusom.


36

Slika 3.16: Graf temperature na vtoku in iztoku pri simulaciji hlajenja z naravno konvekcijo zraka.

Slika 3.17 prikazuje tok tekočine po cevi v času 10s. Rdeča barva označuje temperaturo

okoli 140°C, medtem ko modra označuje temperaturo okoli 70°C. Vidimo da je tekočina

na iztoku obarvana z rumeno barvo, kar potrjuje, da ima temperaturo okoli 120°C. Iz slike

se lepo vidi postopno hlajenje ogrete vode.

120

125

130

135

140

0 2 4 6 8 10 12

Tem

pe

ratu

ra v

od

e [

°C]

Čas [s]

Povprečna temperatura vodena vtoku

Povprečna temperatura vodena iztoku


37

Slika 3.17: Prikaz toka vode v cevi pri naravni konvekciji zraka obarvanega po različnih

temperaturah.

Rezultati druge simulacije so vidni na sliki 3.18. prikazuje padec temperature pri prisilni

konvekciji zraka. Vidimo da bistvene razlike med padcem v temperaturi ni. Razlika v

padcu temperature znaša manj kot eno stopinjo. Efekt prisilne konvekcije je tako majhen,

da je skoraj zanemarljiv. Tudi pri tej simulaciji smo prišli do ugotovitve, da je temperatura

premalo padla. Podobno vidimo tudi na sliki 3.19. Barvna lestvica ima enak razpon

temperature, kot pri prvi simulaciji. Zopet vidimo padec temperature, vendar ta še zdaleč

ni dovolj velik, da bi ta način hlajenja bil zadovoljiv.


38

Slika 3.18: Graf temperature na vtoku in iztoku pri simulaciji hlajenja z prisilno konvekcijo zraka.

Slika 3.19: Prikaz toka vode v cevi pri prisilni konvekciji zraka obarvanega po različnih

temperaturah.

120

125

130

135

140

0 2 4 6 8 10 12

Tem

pe

ratu

ra v

od

e [

°C]

Čas [s]




39

Nazadnje smo izvedli še simulacijo s prisilnim vodnim hlajenjem. Rezultate prikazujeta

sliki 3.20 in 3.21. Pri tej simulaciji vidimo veliko razliko v primerjavi s prejšnjima. Voda je

veliko boljši medij za odvajanje toplote, kar smo lahko sklepali ţe iz skupnega koeficienta

toplotne prevodnosti. Na grafu vidimo, da je temperatura padla na okoli 88°C. Ta

simulacija je bila uspešna, saj se je temperatura vode zniţala pod zahtevano temperaturo

96°C.

Slika 3.20: Graf temperature na vtoku in iztoku pri simulaciji hlajenja z prisilno konvekcijo vode.

Slika 3.21 prikazuje tok vode pri 10s simulacije. Vidimo, da temperatura postopoma upada

in doseţe primerno temperaturo ţe pri drugi ovoju spirale. Barvna lestvica prikazuje

temperaturni razpon od 96°C do 70°C. Pri tem rdeča barva prikazuje temperaturo 96°C in

modra 70°C. Tu smo izbrali drugačen razpon temperature zaradi lepšega prikaza nastopa

primerne temperature.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 2 4 6 8 10 12

Tem

pe

ratu

ra [

°C]

Čas [s]




40

Slika 3.21: Prikaz toka vode v cevi pri prisilni konvekciji vode obarvanega po različnih

temperaturah.

Od vseh treh izvedenih simulacij je bila uspešna samo tretja simulacija, zato smo se

odločili za izbiro hlajenja z vodo. Prav tako smo določili primerno dolţino cevi, ki je 1 m.

Sicer je simulacija pokazala, da bi cev lahko bila krajša, vendar pri njej niso upoštevani vsi

dejavniki, zato smo si pustili nekaj rezerve. Poleg tega bo to pomenilo, da bo voda

ohlajena v krajšem času, kar pa je še dodatna prednost.

Hladilno cev smo najprej zasnovali kot spiralo. Vendar smo morali zasnovo spremeniti.

Ker morajo biti cevi ena v drugi, njuna premera pa 12 in 22 mm, bi bila toleranca za

krivljenje cevi zelo majhna. Cevi bi tako med sabo imele samo 5 mm prostora. Ta zasnova

je sicer izvedljiva in za večje serije bi jo bilo vredno ponovno raziskati, vendar smo se

zaradi specifičnosti potrebnega stroja za krivljenje in potrebnih prilagoditev ter seveda tudi

poizkusnih krivljenj, odločili za zasnovo iz standardnih elementov in ravnih odsekov cevi.

Prikazuje jo slika 3.22. Dolţina cevi, ki je v stiku s hladno vodo ostaja enaka (1 m), kot tudi

izbrani premeri. Tako ostaja stopnja hlajenja enaka. Sprememba nastane le pri padcu

tlaka, vendar to ni bil predmet te simulacije. Zaradi tega smo lahko uporabili rezultate te

simulacije pri zasnovi nove hladilne cevi.


41

Slika 3.22: 3D model hladilne cevi

Ob upoštevanju vseh zadanih omejitev, smo se odločili za cevni izmenjevalec toplote

sestavljen iz manjše notranje in večje zunanje cevi. Za notranjo cev smo izbrali velikost

premera 12 mm, za zunanjo pa 22 mm. Premer notranje cevi smo izbrali glede na

nastavke za spajkanje, ki so bili na voljo z navojem G1/4. Za zaprtje prostora med cevema

smo uporabili reducirna nastavka, ki smo ju pritrdili s spajkanjem. Zunanjo cev smo izbrali

glede na največji še dobavljiv premer reducirnega nastavka z oţjim koncem velikosti 12

mm. Na zunanjo cev smo prispajkali tudi dva nastavka, ki bosta omogočala vtok in iztok

hladilnega medija. Na vtoku se nahaja solenoidni ventil, ki bo omogočal dotok medija, ko

je le-ta potreben. Celotna hladilna cev je izdelana iz standardnih elementov in cevi.

Spodnja tabela 3.3 obsega seznam in število vseh elementov, ki smo jih uporabili za

izdelavo hladilne cevi.

Tabela 3.3: Elementi uporabljeni za izgradnjo hladilne cevi

Standardni element Število kosov

Bakrena cev 22 mm 11 (skupno 1m)

Bakrena cev 12 mm 7 (skupno 1,7m)

T kos 22 mm 4

T kos 22 mm z navojem 1/2 cole (12,7mm) 2

Reducirni nastavek 22mm – 15 mm 6

Reducirni nastavek 15 mm – 12 mm 6

Lok 90° 4

Reducirni nastavek G1/2 (12,7mm) – G1/4

(6,35mm)

2


42

Sestavljena je iz treh odsekov ravne cevi. Notranja cev po kateri se pretaka para iz kotla

je povezana z loki, na koncu je pritrjena na T kos s senzorjem temperature. Zunanja cev

je na koncih zaprta z reducirnimi nastavki. Zaradi ugodnejše cene smo uporabili reducirni

nastavek iz 22 mm na 15 mm in nato iz 15 mm na 12 mm. Odseki debelejše cevi so med

sabo povezani s T kosi, tako lahko hladna voda prosto teče po vseh odsekih. Za dotok in

odtok hladne vode smo uporabili smrečico in cev. Na iztoku imamo priključen solenoidni

ventil, ki se odpre ob previsoki temperaturi in tako spusti v hladilno cev sveţo hladno

vodo.

Vse stike med elementi smo spojili s spajkanjem. Pri tem smo morali paziti na kvaliteto

spoja. Vse stike smo predhodno očistili in nato spojili. Posebno pozornost smo morali

posvetiti tudi pravilni orientaciji elementov, zaradi tega smo skrbno izbrali zaporedje

spajkanja. Začeli smo z elementi katerih orientacija ni pomembna, kot so reducirni

nastavki. Šele na koncu smo prispajkali ostale elemente, katerih orientacija je ključnega

pomena. Sem spadajo T kosi in loki. Spodnja slika prikazuje dokončano hladilno cev.

Slika 3.23: Končana hladilna cev

3.4 Filter za kavo

Vsaka naprava za kuhanje kave potrebuje filter, v katerega se nasuje mleta kava in nato

skoznjo pronica voda. Za filter smo uporabili standardni filter za espresso avtomat. Na

voljo je v veliko izvedbah, saj ima vsak avtomat narejenega malce po svoje. Nazadnje

smo se odločili za filter naprave Mr. Coffee ECM150. Vidimo ga na sliki 3.24.

Smrečica 2


43

Slika 3.24: filter za kavo.

Slika 3.25: 3D model filtra za kavo

V čaši se nahaja še fin mreţast filter, ki preprečuje uhajanje mletih zrn kave. Ima tudi

plastični ročaj, za enostavno nameščanje in rokovanje. Na ročaju se nahaja plastična

ročica, ki je namenjena drţanju mreţice med polnjenjem z mleto kavo. Ko se filter pritrdi

se le-ta odmakne. Čaša je aluminijast odlitek. Skuhana kava priteče skozi lijak na dnu. Na

vrhu čase sta dva jezička, ki sta namenjena pritrditvi na nosilec. Oba sta narejena na

konus in sta med sabo zamaknjena za 180°. Tako sta na eni strani tanjša kot na drugi.

Konus je namenjen večji toleranci ujemanja med nosilcem in filtrom. Pritrdimo ga tako, da

ga vstavimo v nosilec, nato pa zavrtimo. Ta del smo kupili, ker bi bila izdelava veliko

draţja. Za potrebe izdelave nosilca za filter in dimenzioniranja ostalih delov naprave, smo

izdelali tudi 3D model filtra za kavo, vidimo ga na sliki 3.25.

3.5 Nosilec filtra

Za potrebo namestitve filtra za kavo, opisan je v podpoglavju Filter za kavo, smo morali

izdelati primeren nosilec. Ta je na eni strani pritrjen na hladilno cev, na drugi pa na filter

za kavo. Izdelali smo ga iz nerjavečega jekla.


44

Slika 3.26: Nosilec za kavo zgornja stran.

Slika 3.27: Nosilec za kavo spodnja stran.

Filter je izdelan iz enega kosa, s struţenjem in frezanjem. Tak način izdelave se je izkazal

za cenejšega od varjene konstrukcije. Zgoraj je vrezan navoj G1/4 za pritrditev hladilne

cevi. Vidimo ga na sliki 3.26. Na sliki 3.27 lahko vidimo del, kamor se pritrdi filter. Pri

nosilcu je bil zelo pomemben premer odprtine za čašo filtra in pa velikost odprtin za

jezička, ki omogočata prehod jezičkov na filtru. Ko se filter zavrti, se jezička zamakneta in

se preko trenja pričvrstita na nosilec.

Nad filtrom se v nosilcu nahaja še tesnilo, ki je potrebno za pravilno tesnjenje. Uporabili

smo standardno ploščato tesnilo DN 50. Narejeno je iz 4 mm gume in ima dvojno

platneno oblogo. Uporablja se za tesnjenje vodovodnih cevi. Za naš namen smo ga

prilagodili tako, da smo zmanjšali zunanji premer na premer 70 mm, ki smo ga lahko

vstavili na stično površino med nosilcem filtra in filtrom.

Zelo pomembna je bila tudi višina med zgornjo in spodnjo notranjo ploskvijo nosilca, saj

se mora filter, ko se zavrti, tesno prilegati obema ploskvama. Zaradi tega smo morali

natančno izmeriti višino jezička na filtru in pa višino tesnila. Upoštevati smo morali še, da

se tesnilo elastično deformira. Zaradi tega smo za višino jezička vzeli najmanjšo vrednost,

vrednosti se razlikujejo zaradi konusa. Višino smo izračunali po enačbi (3.5). Tesnilo in

jeziček imata višino 4 mm, tako da smo naredili mero na modelu 8 mm. Konus ima za

laţjo namestitev, prav tako ima konus nosilec filtra, da se filter lepše prilega po celotni

površini jezička. Konusa sta si ravno nasprotna. Začneta se pri odprtinah za jezička in se

nadaljujeta v nasprotni smeri urinega kazalca.


45

tesnila jezičkah h h (3.5)

Tu so:

h – višina na modelu (mm),

hjezična – višina jezička na filtru (mm) in

htesnila – višina tesnila (mm)

3.6 Nastavek za penjenje mleka

Pomemben del pri kuhanju kave je dodatek spenjenega mleka. Ta doda edinstven okus

napitku, poleg tega se odvisno od dodane količine mleka razlikujejo tipi kave, od kave z

mlekom do ''latte machiato''.

Slika 3.28: 3D model cevi za penjenje mleka.


46

Za penjenje mleka potrebujemo vodno paro pod pritiskom, to nam zagotavlja kotel. Da

dovedemo paro v mleko potrebujemo nastavek, ki se potopi v mleko in ga na ta način

speni.

Nastavek smo izdelali iz bakrene cevi premera 12 mm. Primerno dolţino cevi smo ukrivili

in jo na koncu stisnili. Nato smo ob strani cevi izvrtali luknje premera 2 mm. Tako smo

dosegli, da se para bolj enakomerno razporedi po mleku. Poleg tega smo še povišali tlak,

saj smo zmanjšali odprtino skozi katero lahko uide para. Zaradi tega ne potrebujemo

tolikšnega pretoka in je poraba pare iz kotla manjša in je hkrati manjši tudi padec tlaka. Če

bi cev pustili kot je, bi para, namesto da bi ga spenila, mleko samo izpodrinila iz posode, v

kateri smo ga imeli. Nastavek smo pritrdili na avtomat z spajkanjem preko cevnega

spojnega elementa.

3.7 Podstavek

Naprava je potrebovala tudi podstavek. Izdelali smo ga iz lesa in jeklene pločevine.

Vidimo ga na sliki 3.29 in 3.30. Podstavek je izdelan iz dveh lesenih delov ter iz kovinske

povezovalne plošče, na katero sta lesena dela pritrjena.

Naprava je v stiku s podstavkom na dveh delih. Na levi del s polkroţnima utoroma nalega

kotel, zato je le-ta oblikovan po konturi kotla. Na drugi del pa smo pritrdili hladilno cev, ki

potrebuje podporo v srednjem delu. Hladilna cev je pritrjena s pomočjo vijaka in dvojne

cevne objemke. Les in kovino smo zaščitili z primernim premazom.


47

Slika 3.29: 3D model podstavka

Slika 3.30: Podstavek

K podstavku spada tudi ojačitev nosilca filtra. Ta preprečuje premike filtra za kavo med

odstranjevanjem in namestitvijo. Povezuje pa podstavek z nosilcem filtra. Sestavljen je iz

cevne objemke in primerno dolge navojne palice M8. Vidimo jo na spodnji sliki.

Slika 3.31: Ojačitev nosilca filtra


48

3.8 Standardni elementi

Zaradi zmanjšanja stroškov izdelave smo, kjer je bilo mogoče, uporabili standardne

elemente. S tem smo pocenili avtomat, poleg tega pa smo poenostavili izdelavo.

3.8.1 Standardni cevni elementi

Pri napravi smo uporabili šest različnih cevnih elementov, vidimo jih v tabeli 3.4.

Tabela 3.4: standardni cevni elementi.

Standardni cevni element Material Navoj Število kosov

Pipa 1/4 cole

(6.35mm)

Inox G1/4 1

Adapter G1/4 – G1/8 Medenina G1/4, G1/8 1

Adapter G3/8 – G1/4 Medenina G3/8, G1/4 2

Cevni spojni element 12 mm – G3/8 Medenina G3/8 3

T kos 1/4 cole

(6.35mm)

Inox G1/4 3

Adapter zunanji navoj G1/4 Inox G1/4 5

Pipo smo uporabili na nastavku za penjenje in omogoča dotok pare ob primernem času.

Odpiranje se bo vršilo ročno, saj je tako najlaţje speniti mleko. Čas in kot odprtja sta

namreč odvisna od posode in količine mleka.

Adapter iz G1/4 na G1/8 potrebujemo za namestitev senzorja, ki ima navoj G1/8. Senzor z

adapterjem je sicer nameščen preko T kosa pred servoventilom.

Adapter iz G3/8 na G1/4 potrebujemo pri namestitvi cevnega spojnega elementa, ki ima

navoj G3/8. Cevni spojni element nam omogoča pritrditev bakrene hladilne cevi in cevi za

penjenje mleka na napravo. Naprava vsebuje tri takšne spoje. Uporabili smo tudi 5

adapterjev z dvojnim zunanjim navojem. Te smo uporabili za zdruţitev dveh komponent z

notranjima navojema G1/4.

Naprava vsebuje tudi 3 T kose. Nameščeni so tam, kjer rabimo več priključkov. Dva se

nahajata na izhodih iz kotla, en pa sluţi za namestitev senzorja. V tem poglavju nismo


49

naštevali standardnih elementov, ki sestavljajo hladilno cev, saj smo jih podrobno ţe

opisali v prejšnjem poglavju.

3.8.2 Drugi standardni elementi

Za zagotovitev pravilnih parametrov delovanja in zaradi varnosti, smo potrebovali tudi

določene elektronske in senzorske elemente. Vidimo jih v tabeli 3.5.

Tabela 3.5: ostali standardni elementi.

Standardni element Območje delovanja Navoj

PT100 temperaturni

senzor

-40 do 250 °C G1/8

Servo ventil za paro 0 do 100 °C

Do 10 bar

G3/8

Servo ventil za

hlajenje

Do 8 bar

0 do 80 °C

G1/4

Varnostni ventil Do 10 bar G1/4

Manometer 0-10 bar G1/4

Rele DC- AC Iz 3 VDC na 220 VAC /

Rele DC – DC Iz 3 VDC na 24 VAC /

Za temperaturno regulacijo potrebujemo temperaturni senzor. Uporabili smo standardni

PT100 senzor Heraeus W-GJK. Senzorju se spreminja upornost glede na temperaturo.

Pri 0°C ima upornost 100 Ω. Senzor deluje v območju od -40 do 250°C. Za ta tip senzorja

smo se odločili, zaradi enostavne pritrditve na napravo, robustne zasnove in ugodne

cene.

Za prikaz tlaka smo namestili tudi manometer, z območjem delovanja od 0 do 10 bar.

Zaradi varnosti smo namestili tudi varnostni ventil, ki se odpre pri 10 bar in tako

onemogoči prekomerno naraščanje tlaka, ki bi lahko povzročilo odpoved naprave.

Naprava za delovanje potrebuje dva servoventila. Ta se odpreta ob primernih pogojih. En

skrbi za dotok vroče vode, ko voda doseţe primerno temperaturo, na mleto kavo. Drugi pa


50

za dotok hladne vode v hladilno cev, ko vroča vode doseţe previsoko temperaturo.

Servoventila sta normalno zaprta tako, da pri odpovedi ne prepuščata vode.

Za priključitev servoventilov in grelca na mikrokrmilnik skrbijo trije releji. Grelec in

servoventil za dotok vroče vode delujeta na 220 VAC, zato imamo zanju releja, ki delujeta

na 220 VAC, kot signal pa uporablja napetost 3 V. Največji tok skozi rele je 40 A. Tretji pa

deluje na 24 VDC. Največji tok je 10 A. Releji so normalno odprti tako, da se ob napaki

naprava izključi.


51

4 REGULACIJA

Poleg mehanskih komponent ima naprava tudi elektronski del, ki skrbi za regulacijo

temperaturnih in tlačnih pogojev. Skrbi tudi za odprtje dotoka vroče vode v filter in za

dotok hladne vode v hladilno cev. Za potrebe regulacije smo zgradili vezje, v osrčju

katerega je mikrokrmilnik MSP430G2231, na katerega so priključeni vsi ostali elementi.

Poleg tega smo napisali tudi program v programskem jeziku C.

4.1 Vezje

Naprava vsebuje električne komponente, za katere je bilo potrebno zgraditi vezalno

shemo. Prikazuje jo slika 4.1. Sestavljena je iz mikrokrmilnika, napetostnih pretvornikov,

SSR (Solid State Relay) ter servomotorjev. Poleg tega je nanjo priključen tudi

temperaturni senzor in grelec.

Slika 4.1: Vezalna shema

Za napajanje smo uporabili izmenično napetost 240 V, ki je na voljo v vsaki standardni

vtičnici. Za napajanje mikrokrmilnika smo potrebovali napetost 3,3 V in za napajanje


52

servomotorja za dotok hladne vode 24 V. Preostale komponente delujejo na 220 V. Zaradi

tega imamo v vezju dva pretvornika napetosti iz izmenične v enosmerno napetost. Eden

skrbi za dovajanje enosmerne napetosti 5 V. MSP430G2 launchpad namreč omogoča

napajanje iz standardnega microUSB napajalnika. Drugi pretvornik zagotavlja enosmerno

napetost 24 V. Oba pretvarjata iz izmenične napetosti 220 V.

Temperaturni senzor je vezan v napetostni delilnik, ki nam pretvarja spremembo upornosti

v spremembo napetosti. Tako imamo ustrezen signal za A/D pretvorbo.

Grelec in oba servoventila za vročo vodo sta priključena preko SSR, ki omogočajo

proţenje in zagon z napetostjo 3,3 V, kakršna je na izhodu mikrokrmilnika. Vendar se je v

praksi izkazalo, da ta napetost ni dovolj, zato smo uporabili napetost 5 V, ki smo jo dobili

iz USB napajanja za mikrokrmilnik. Priključili smo jo na tranzistor.

Vezju smo dodali tudi tri LED, ki nam prikazujejo delovanje grelca in obeh solenoidnih

ventilov. Za njihovo pravilno delovanje smo jim zaporedno vezali še primerne 100 Ω

upore.

Zaradi zaščite mikrokrmilnika, smo proţenje vseh SSR izvedli s NPN tranzistorji. Uporabili

smo tudi zener diode, in sicer za preprečitev povratnega toka ob izklopu releja.

Za tranzistorje je bilo potrebno pravilno dimenzionirati upor, ki je vezan med bazo in

mikrokrmilnik. Za določitev tega smo najprej morali ugotoviti tok Ic, ki teče skozi

posamezen tranzistor in je odvisen od bremena. Iz podatkov za rele smo dobili podatek o

toku. Potrebovali smo tudi konstanto hFE. Njeno vrednost smo dobili iz podatkov o

tranzistorju in znaša 100. Nato smo po enačbi (4.1) določili vrednost IB, ta znaša 150 mA.

CB

FE

II

h (4.1)

Tu so:

IB– bazni tok (A),

IC –kolektorski tok (A) in

hFE–kratkostični tokovni ojačevalni faktor


53

Izračun smo nadaljevali z enačbo (4.2), s katero smo dobili največjo moţno vrednost

iskanega upora. Za Vizhod smo uporabili izhodno napetost mikrokrmilnika, ki znaša 3,3 V.

Vrednost VBE smo dobili iz podatkov tranzistorja. Za SSR smo dobili RB < 23000 Ω, za

rele, ki odpira solenoid za hlajenje pa 1533 Ω. Do razlike pride zaradi drugačnega releja,

kar vpliva na vrednost toka IB.

izhod BEB

B

V VR

I

(4.2)

Tu so:

IB – bazni tok (A),

RB – Vrednost baznega upora (Ω),

Vizhod – kolektorski tok (V) in

VBE – kratkostični tokovni ojačevalni faktor (V)

Tako smo za SSR uporabili bazni upor 22000 Ω, za hladilni rele pa 1000 Ω.

4.2 Napetostni delilnik

Napetostni delilnik je pasivno linearno vezje, ki proizvaja izhodno napetost (Vout), katere

vrednost je določen odstotek vhodne napetosti (Vin). Napetostna delitev je posledica

distribucije vhodne napetosti med komponentami delilnika. Preprost primer napetostnega

delilnika predstavljata dva upora vezana zaporedno, vhodna napetost je priključena na

konca uporov, izhodna, pa izhaja iz povezave med njima.

Napetostni delilniki se običajno uporabljajo za ustvarjanje referenčne napetosti, ali za

zmanjšanje napetosti tako, da jo je mogoče izmeriti. Lahko se uporablja tudi kot signalni

dušilnik pri nizkih frekvencah. Slika 4.2 prikazuje primer napetostnega delilnika, kjer sta Z1

in Z2 upora [22].


54

.

Slika 4.2: Delilnik napetosti.

Pri naši napravi smo uporabili napetostni delilnik za meritev spremembe upornosti

temperaturnega senzorja. PT100 senzor je v osnovi variabilni upor, kateremu se spreminja

upornost glede na temperaturo. Če ga veţemo v napetostni delilnik namesto upora Z1,

potem bo sprememba upornosti na senzorju povzročila naraščanje, oziroma padanje

napetosti na izhodni napetosti (Vout). Prikaz vezave vidimo na sliki 4.3. To napetost bomo

potem izmerili z A/D pretvornikom, vgrajenim v mikrokrmilnik in tako dobili potreben

podatek o temperaturi.

Slika 4.3: Napetostni delilnik s PT100 senzorjem.

Napetost na izhodu je odvisna od vrednosti upora Z1, upornosti senzorja in vhodne napetosti. Izračunamo jo po enačbi (4.3).

100

100 1

inout

V PTV

PT Z

(4.3)


55

Tu so:

Vout – izhodna napetost (V),

PT100– upornost senzorja (Ω),

Vin – vhodna napetost (V) in

Z1 – upornost upora (Ω)

Iz te enačbe dobimo vrednost napetosti, pri določeni temperaturi na senzorju. Za vhodno

napetost uporabimo kar napetost mikrokrmilnika in sicer 3,3 V. Upornost Z1 smo določili z

poizkušanjem. Izbrali smo upornost 1000 Ω. Ta nam zagotavlja dobro ločljivost in ob

enem majhno napako. Iz tabele, ki se nahaja v specifikacijah senzorja smo dobili

upornosti senzorja pri teh dveh temperaturah. Nato smo izračunali dane napetosti. Pri

92°C smo dobili 0,39370835 V pri 96°C pa 0,39759342 V. Zaradi majhne vhodne

napetosti je razlika majhna vendar je za naš namen dovolj dobra. Če bi ţeleli večjo

ločljivost, bi lahko spremenili upornost Z1 oziroma povečali vhodno napetost, tako da bi

izkoristili celotni obseg A/D pretvornika od 0 do 3,3 V.

4.3 Program za mikrokrmilnik

Za potrebe vodenja smo napisali program v jeziku C. Ta nam omogoči odpiranje in

zapiranje servoventilov, ter branje temperature iz senzorja. Program je sestavljen iz

analogno digitalne pretvorbe s pomočjo modula ADC10 in iz logike, ki določa, kdaj morajo

biti posamezni ventili odprti. S tem se kontrolira dotok vroče vode do kave in njeno

hlajenje. Program prav tako določi, kdaj je vklopljen grelec za vodo. Sistem je naravnan

tako, da ohranja temperaturo vroče vode med 92°C in 96°C, kar je idealna temperatura za

pripravo kave.

4.3.1 MSP430G2231

Druţina mikrokrmilnikov z nizko porabo naprav MSP430, podjetja Texas Instruments,

zajema več naprav, z različnimi perifernimi enotami, ki ciljajo na različne aplikacije.

Arhitektura je v kombinaciji s petimi načini nizke porabe, optimizirana za doseganje daljše

ţivljenjske dobe baterije v prenosnih aplikacijah. Naprava ima zmogljiv 16-bitni RISC


56

procesor, s časovnim ciklom 62,5 ns in 16-bitne registre, ki prispevajo k maksimalni

učinkovitosti kode. Digitalno krmiljen oscilator (DCO) omogoča prebujanje iz načina nizke

porabe v aktivno delovanje v manj kot 1 mikrosekundi.

Slika 4.4: MSP430 Launch pad [23].

Serija mikrokrmilnikov vsebuje nizko porabne mikrokrmilnike z vgrajenim 16-bitni

časovnikom in desetimi vhodno/izhodnimi pini. Druţina ima 10-bitni A/D pretvornik in

vgrajeno zmoţnost komunikacije preko protokolov SPI ali I2C.

Tipične aplikacije vključujejo nizkocenovne senzorske sisteme, ki zajemajo analogne

signale in jih pretvorijo v digitalne vrednosti, nato jih obdelajo za prikazovanje, ali za

prenos na gostitelja. Ponaša se z:

nizko napajalno napetostjo, katere razpon je od 1,8 V do 3,6 V,

izjemno nizko porabo energije (aktivni način 220 µA, stand by način 0,5 µA),

petimi načini varčevanja z energijo,

osnovni modul ure s frekvenco do 16 MHz, ki potrebuje eno umerjeno frekvenco,

16-Bit časovnik z dvema registroma zajemi / primerjaj,

10-Bit z 200 ksps A/D pretvornik z notranjo referenco ter s funkcijo zajemi in

zadrţi.


57

Za naš program potrebujemo štiri vhodno / izhodne pine. Tri izmed njih smo konfigurirali

kot izhode, enega pa kot vhod. Vse ostale smo nastavili kot vhode za zagotavljanje

varnosti ostalih komponent. Za izhode smo izbrali pine P1.0, P1.7 in P2.7. Za vhod pa

P1.1. Na pin P1.0 je priključen grelec vode, na P1.7 servo ventil za hladno vodo, na P2.7

pa servo ventil za vročo vodo. Senzor za temperaturo smo priključili na P1.1 [23].

4.3.2 Analogno digitalni pretvornik

Analogno digitalni pretvornik ADC10 podpira hitre, 10-bitne analogno-digitalne pretvorbe.

Modul ima 10-bitno SAR jedro, funkcijo zajemi / izberi, referenčni generator in krmilnik za

DMA prenos podatkov. Le ta omogoča pretvorbo in shranjevanje zajetih podatkov, kjerkoli

v pomnilniku, brez intervencije s strani procesorja. Modul je mogoče konfigurirati s

pomočjo programske kode za podporo različnih aplikacij. Njegove funkcije vključujejo:

• najvišjo stopnjo pretvorbe 200-ksps,

• začetek pretvorbe s programsko opremo ali časovnikom,

• izbiro referenčne napetost na čipu (1,5 V ali 2,5 V),

• izbiro notranje ali zunanje reference,

• do osem zunanjih vhodnih kanalov,

• izbiro vira urinega signala,

• podpira načine pretvorbe: enojni kanal, enojni kanal s ponavljanjem,

zaporedje in zaporedje s ponavljanjem,

• ADC jedro in referenčna napetost se lahko izklopita ločeno,

• krmilnik za prenos podatkov omogoča avtomatsko shranjevanje rezultatov

pretvorbe.

A/D pretvornik je potrebno pravilno konfigurirati. S tem se določi vse parametre delovanja

pretvornika. To naredimo preko dveh registrov, in sicer ADC10CTL0 in ADC10CTL1. V

ADC10CTL0 registru lahko nastavimo več parametrov, kot so referenčna napetost in čas

zajema, uporabimo ga tudi za vklop A/D pretvornika. ADC10CTL1 register pa uporabimo

za nastavitev vhodnega kanala, izbiro ure in načina pretvorbe [23].

ADC10CTL0 register smo konfigurirali na sledeč način:

ADC10CTL0 = ADC10SHT_3 + ADC10ON + ADC10IE+REFON+REF2_5V;


58

Ukaz ADC10SHT_3 nam nastavi čas zajema na 64x ADC10CLK. Ta nam zagotavlja

najboljšo natančnost pretvorbe, ki je pri temperaturi bolj pomembna kot čas. ADC10ON

vklopi A / D pretvornik, medtem ko ADC10IE vklopi prekinitve.

REFON in REF2_5V nam vklopi referenčni generator in izbere napetost 1,5 V, kar omeji

doseg na območje med 0 in 1,5 V. Ker imamo napetost iz napetostnega delilnika pod 1 V,

nam bo to še izboljšalo natančnost meritve.

ADC10CTL1 register smo konfigurirali na sledeč način:

ADC10CTL1 = INCH_1;

S tem smo nastavili vhodni kanal na A1, to je pin P1.1, kamor smo priključili senzor.

Nastaviti smo morali še register ADC10AE0, tu smo vključili pin A1 kot analogni vhod

tako, da smo mu določili vrednost 1.

Vrednost pretvorbe se zapiše v register ADC10MEM. Iz napetosti, ki smo jo dobili iz

napetostnega delilnika pri določeni temperaturi, smo nato izračunali vrednost, ki nam jo pri

tej temperaturi A/D pretvornik zapiše v register ADC10MEM. Ker je pretvornik 10 bitni

razdeli napetostno območje med 0 in 1,5 V na 1024 (210) delov. Ker imamo vrednost

napetosti pri določeni temperaturi, ki smo jo dobili s pomočjo enačbe (4.3), lahko določimo

vrednost registra ADC10MEM pri določeni temperaturi. Do rešitve pridemo s sklepnim

računom, saj vemo, da je pri vrednosti registra 1023 napetost 1,5 V. Izračun kaţe enačba

(4.4). Izračunano vrednost smo nato uporabili za zapis pogojev v programu.

1023ADC10MEM

1.5

outV (4.4)

Tu sta:

Vout – izhodna napetost napetostnega delilnika (V) in

ADC10MEM – vrednost pretvorbe


59

Vrednost smo določili za dve mejni vrednosti, in sicer 92°C in 96°C. Pri 92°C znaša

vrednost registra 268, kar v šestnajstiškem sistemu pomeni 10D. Pri 96°C pa 271, kar je v

šestnajstiškem sistemu enako vrednosti 10F. Tako imamo ločljivost okoli 1°C.

4.3.3 Logika krmiljenja sistema

Ostali del programske kode skrbi za odpiranje in zapiranje servoventilov ob primernih

temperaturah vroče vode ter vklaplja in izklaplja grelec. Slika 4.5 prikazuje začetne

pogoje. Določili smo, kateri pini so vhodi in izhodi. To smo storili s pomočjo registrov

PxDIR in PxSEL. Nastavili smo vsa stanja ob vklopu naprave. To smo storili z registrom

PxOUT. Ob vklopu naprave se vključi grelec. Dotok vroče vode je v tej fazi zaprt. S

pritiskom na gumb, se lahko sproţi prekinitev, ki odpre dotok. Ta funkcija je potrebna, ker

se včasih pri hladnem zagonu senzor ne ogreje dovolj hitro. Toplota se prevaja samo

preko vode in zraka do senzorja. Posledica je lahko, da je temperatura v kotlu ţe dovolj

visoka, pri senzorju pa je le-ta še krepko pod 90°C. S tem, ko spustimo ven hladno vodo

pri senzorju, omogočimo dotok vroče vode in s tem normalno delovanje naprave. V

inicializaciji smo omogočili prekinitve. To smo storili z zadnjima dvema vrsticama na sliki

4.5.

Slika 4.5: Začetni pogoji

Po tem uvodnem delu, se začne izvajati neskončna zanka. V tem delu programa se

spreminjajo stanja servo ventilov in grelca, glede na temperaturo vroče vode. Kodo

prikazuje slika 4.6. Na začetku zanke imamo dodatno konfiguracijo registra ADC10CTL0.

Ta del konfiguracije mora biti vključen v neskončno zanko. Z ukazom ENC omogočimo

A/D pretvorbo, z ukazom ADC10SC pa jo zaţenemo.


60

Slika 4.6: Neskončna zanka

Nato sledita dve if zanki. Prva skrbi za hlajenje in gretje vode. Če pade temperatura pod

92°C (0x10D), se vklopi grelec in izklopi hlajenje. Če naraste nad 96°C (0x10F), pa se

izklopi grelec in vklopi hlajenje.

Druga zanka skrbi za odpiranje dotoka vroče vode. Ta se odpre, če je temperatura med

92°C in 96°C. Sicer je zaprt.

Ob vsaki spremembi stanja ventilov in grelca, sledi zakasnitev, ki destabilizira sistem. Tlak

se dvigne z delovanjem grelca. S tlakom hkrati narašča tudi temperatura. Ko senzor

zazna temperaturo med 92°C in 96°C, se grelec izklopi. Prav tako se izklopi hlajenje. Ob

odprtem iztoku vroče vode, tlak upade. Tako stanje je nezaţeljeno, ker voda zaradi

nizkega tlaka ne pronica skozi mleto kavo. Temperatura ne sme ostati v območju med

92°C in 96°C predolgo. Idealno je le toliko, da tlak upade do okoli 3 bar. Nato je zaţeljeno,

da se grelec vklopi. Zaradi tega imamo zakasnitve, ki omogočajo, da temperatura nikoli ne

obstane v pravem območju predolgo, ampak niha. Tako se vmes dotok vroče vode zapre

in omogoči ponovno rast tlaka. Zaradi zakasnitve temperatura naraste preveč, kar

povzroči vklop hlajenja, ki temperaturo potisne pod 92°C. Nato se zopet vklopi grelec in

tako naprej. Vmes, ko temperatura prehaja med 92°C in 96°C, se odpre iztok vroče vode.

Zadnji del programa zajema nastavitev prekinitve ob pritisku na gumb in prekinitev A/D

pretvornika, ki se potrebuje za njegovo pravilno delovanje. Omogoča prehod v stanje

varčevanja z energijo. Kodo vidimo na sliki 4.7.


61

Slika 4.7: Prekinitvene rutine


62

5 POSTOPEK IZDELAVE PROTOTIPA

Ko smo zaključili z zasnovo komponent, smo se lotili sestave komponent. Določene

komponente smo sestavili v podsestave in jih nato privijačili na prototip. Kotel predstavlja

jedro glavnega sestava, na katerega se pritrjujejo vse ostale komponente. Posebej smo

sestavili nastavek za penjenje mleka, komponente med nosilcem filtra in hladilno cevjo ter

samo hladilno cev. Tako smo laţje orientirali vse komponente in imeli večjo preglednost

pri sami izdelavi.

5.1 Izdelava podsestavov

Slika 5.1: Prikaz komponent nastavka za penjenje mleka.

Sestavo smo začeli z nastavkom za penjenje mleka. Slika 5.1 prikazuje komponente

nastavka za penjenje, ki smo jih sestavili v podsestav. Začeli smo s pipo, nanjo privijačili

dva adapterja z dvojnim zunanjim navojem. En sluţi za pritrditev podsestava na kotel, ta

ima dvojni navoj G1/4. Drugi sluţi namestitvi cevnega spojnega elementa za pritrditev

bakrene cevi. Ta ima na eni strani navoj G1/4, na drugi pa G3/8. Nanj smo pritrdili cevni

spojni element. Cev smo namestili vanj in jo prispajkali.

Slika 5.2 prikazuje dokončan podsestav. Pomembno je, da je cev obrnjena navzdol in da

je pipa v pravilnem poloţaju. Navoje med vsako komponento smo povili s teflonskim

trakom, zaradi boljšega tesnjenja.


63

Slika 5.2: Podsestav nastavka za penjenje mleka.

Nato smo se lotili drugega podsestava. Slika 5.4 prikazuje komponente podsestava. Pri

tem podsestavu je pomembna orientacija T kosa s senzorjem, ter servoventila. Zato smo

sestavljanje začeli s tema dvema kosoma. Vmes je nameščen adapter, z dvojnim

zunanjim navojem G1/4. Zgoraj smo dodali še en adapter, potreben za namestitev

holandca in holandec. Spodaj smo namestili nosilec za filter, vmes pa smo dodali še

adapter z dvojnim zunanjim navojem G1/4. Na koncu smo namestili še senzor preko

adapterja iz G1/4 na G1/8. Spet smo bili pozorni na uporabo teflonskega traka na vseh

spojih.


64

Slika 5.3: Podsestav od hladilne cevi do nosilca za filter.

Slika 5.4: 3D model podsestava od hladilne cevi do nosilca za filter.

Kot naslednje smo sestavili sklop hladilne cevi. Vse komponente smo pritrdili s

spajkanjem.


65

Najprej smo narezali vse cevi na primerne dolţine, nato smo razporedili vse komponente

na pravo mesto. Razporeditev vidimo na spodnji sliki. Na ta način smo preverili ujemanje

komponent. Reducirne adapterje iz 15 mm na 12 mm smo morali na notranji strani oţjega

dela malo pobrusiti, saj so imeli notri rob, ki sluţi zaustavitvi vstavljene cevi. V našem

primeru je cev morala iti skozi celotni adapter, zato smo ta rob odstranili.

Slika 5.5: Komponente hladilne cevi

Vse komponente smo modelno zaporedno zloţili brez spajkanja in potem pričeli s

postopnim sestavljanjem. Za gretje smo uporabili plinski gorilnik. Pred spajkanjem smo

vse stične površine očistili z abrazivno krpo in nanje nanesli pasto za spajkanje. Pasta

zagotavlja homogeno razporeditev cina po celotni površini spoja. Začeli smo z

komponentami, katerih orientacija ni pomembna. Nadaljevali smo z 22 mm

komponentami, zatem pa z 12 mm. Pri tem smo pozorno pazili na vrstni red in orientacijo

komponent, sicer bi se nam lahko zgodilo, da katere nebi mogli namestiti, oz. bi morali

spoj razdreti.


66

Slika 5.6: Spojitev delov katerih orientacija ni pomembna

Ko smo prišli do točke, da smo lahko namestili nosilec, ki je pritrjen na prvo in zadnjo

22 mm cev, smo ga namestili in šele nato prispajkali zadnje spoje, ki so dokončno določili

poloţaj komponent. Na koncu smo dodali še medeninaste T kose, ki smo jih predhodno

pravilno orientirali.

Slika 5.7: Namestitev nosilca in medeninastih T kosov

Zaključili smo z zadnjimi reducirnimi elementi, ki so se pritrdili na medeninast T kos.

Pritrdili smo še 12 mm cevna loka in pa vmesne cevi med hladilno cevjo in ostalimi

komponentami naprave. Nato smo bili pripravljeni na glavni sestav. Spodnja slika

prikazuje dokončano hladilno cev.


67

Slika 5.8: dokončana hladilna cev

5.2 Glavni sestav

Glavno sestavo smo začeli s kotlom. Najprej smo mu namestili grelec. Grelec ima tesnilo,

vendar smo kljub temu navoj povili še s teflonskim trakom, za dodatno tesnjenje.

.

Slika 5.9: Kotel z nameščenim grelcem.

Na 1/4 colska (6.35mm) nastavka smo namestili dva adapterja, z zunanjim navojem G1/4,

na vsakega enega. Na adapterja smo nato namestili T kosa. Na desni T kos smo

namestili varnostni ventil in manometer. Stanje se vidi na sliki 5.10.


68

Slika 5.10: Kotel z nameščenima T kosoma, varnostnim ventilom in manometrom.

V naslednji fazi smo dodali prvi podsestav. Na levi T kos smo namestili nastavek za

penjenje mleka. Privijačili smo ga na vodoravni priključek T kosa.

Slika 5.11: Dodan nastavek za penjenje mleka.


69

Nadalje smo priključili še adapter iz G1/4 na G3/8 in nanj privijačili cevni spojni element.

Pravilno smo namestili hladilno cev in jo prispajkali. Nato smo dodali še drugi podsestav,

ga pravilno orientirali in prispajkali na drugo stran hladilne cevi. Napravo smo nato

namestili na podstavek. Stanje kaţeta spodnji sliki.

Slika 5.12: Pritrditev podsestava filtra za

kavo

Slika 5.13: Naprava nameščena na podstavek

Dodali smo še ojačitev med nosilcem filtra in kotlom, ter tako preprečili premikanje

nosilca filtra. V nosilec filtra smo namestili še tesnilo in sam filter. Mehanski del smo

zaključili z namestitvijo ojačitve, ki preprečuje nekontrolirane premike filtra za kavo med

odstranjevanjem in namesščanjem.


70

Slika 5.14: Sestavljen mehanski del naprave

Namestili smo še servoventil za hladno vodo in dve omarici za električne komponente.

Dve sta potrebni zato, ker se rele za grelec greje (zaradi velikega toka), zaradi česar smo

ga morali ločiti od ostalih komponent. Elektro omarice prikazuje spodnja slika. V večjo

smo namestili spodaj napetostna pretvornika, zgoraj pa vezje. V manjšo pa rele za grelec

in servoventil za vročo vodo.

Slika 5.15: Omarica z releji

Slika 5.16: Omarica z vezjem


71

V naslednji fazi smo uredili vse električne povezave z grelcem, servoventili, senzorjem in

ostalimi električnimi deli. Vse smo tudi primerno izolirali. S tem je izdelava naprave

zaključena. Končano napravo prikazuje spodnja slika.

Slika 5.17: Dokončana naprava


72

6 STROŠKI NAPRAVE

Kot pomembno omejitev v nalogi smo med drugim postavili tudi nizko končno ceno

naprave. Med celotnim procesom izdelave smo tako beleţili stroške komponent. Tabela

6.1 prikazuje vse kupljene komponente naprave in njihovo ceno. Spodaj je navedena

skupna cena naprave. Vidimo, da je cena materiala 204,34 €. Kar je malo nad postavljeno

mejo. Ceno bi se dalo še dodatno zniţati pri nakupu nekaterih komponent, ki bi jih lahko

dobili ceneje, vendar pa bi postopek nabave trajal dlje. Zaradi tega smo se odločili, da

kupimo nekatere draţje komponente, ki pa so bile na voljo takoj. Cena prototipa je tudi

sicer nekoliko večja od cene za napravo, ki bi se izdelovala masovno. Večji prihranek je

pričakovan pri izdelanih komponentah, kot so kotel in nosilec filtra. Prihranili bi lahko tudi z

zmanjšanjem števila adapterjev s tem, da bi izbrali komponente z zunanjim in notranjim

navojem. S tem bi takoj prihranili 6,3 € po napravi. Prihranili bi lahko tudi pri komponentah

višjega cenovnega ranga, kot so varnostni ventil, manometer, PT100 senzor in servoventil

za vročo vodo.

Tabela 6.1: Cene komponent

Komponenta Cena (€)

Varnostni ventil 17,65

Tesnilo za nosilec filtra 0,97

Filter 8,12

Kotel izdelava + material 20,00

Manometer 9,00

Pipa 1/4 cole 2,88

Adapter G1/4 – G1/8 1,20

Adapter G3/8 – G1/4 0,48

Holandec 12 mm – G3/8 1,23

T kos 1/4 cole (3 kom) 5,97

Adapter zunanji navoj G1/4 6,30

PT100 temperaturni senzor 15,95

Servo ventil za paro 21,33

Servo ventil za hlajenje 4,16

Rele DC- AC (2 kom) 5,48

Rele DC - DC 1,02

Nosilec filtra izdelava + material 10,00

Grelec 9,03

pretvornik 220 VAC- 24 VDC 3,22


73

pretvornik 220 VAC - 3,3 VDC 2,46

napetostni delilnik 0,15

cev bakrena 12mm (2m) 7,98

cev bakrena 22mm 5,86

bakreno koleno 12mm 90° (4 kom) 1,28


74

7 SKLEP

Naprava je preprosta za uporabo in zadostuje ţelenim, ciljnim kriterijem. Prav tako je

izdelana v postavljenem cenovnem okviru. Ravno temu smo posvetili še posebej veliko

pozornost, saj smo z izbiro cenovno ugodnih komponent in s primerjavo cen pri različnih

prodajalcih, naredili veliko razliko v končni ceni produkta. Menim, da smo komponente

izbirali dokaj optimalno in se drţali danih okvirjev, omejitev.

Največ teţav smo imeli pri izvedbi vstopa vroče vode v mleto kavo, saj nam je v prvem

poizkusu vstopa je curek vode naredil luknjo skozi kavo in zato ni prišlo do primerne

ekstrakcije. Ta problem smo nato rešili z namestitvijo mreţe iz nerjavečega jekla, ki je

razpršila curek ter tako poskrbela za pravilno mešanje mlete kave z vodo. Morali smo tudi

poskrbeti za pravilno grobost mlete kave. Nekaj problemov je povzročilo tudi tesnjenje

med komponentami, kar pa smo rešili s ponovnim povijanjem spojev z teflonskim trakom,

ali pa z dodatnim privijanjem komponent.

Izboljšave naprave so še mogoče, predvsem na fazi regulacije, ki je lahko še boljša z

dodanim senzorjem za tlak. Za estetsko oplemenitenje naprave, bi bilo potrebno dodati še

ohišje za napravo, ki bi jo naredilo privlačno za potrošnike. Izboljšava je mogoča tudi na

ureditvi dotoka vode v kotel, kjer bi nadomestili čep z navojem za drugačnega, ki bi ga

lahko pričvrstili z roko in tako prihranili čas pri ponovnem polnjenju kotla. Izboljšave so

moţne tudi pri samih standardnih delih, kjer bi lahko nadomestili dele z zunanjim navojem

na eni in notranjem na drugi strani ter tako eliminirali potrebo po adapterjih in s tem

zmanjšali ceno končnega izdelka.


75

8 VIRI

[1.] Coffee makers. coffeemakers.it. [Elektronski] 2014.

http://www.coffeemakers.it/en/collezione-mauro-carli-galleria.php.

[2.] Brooklyn museum. "Biggin" Coffee Pot. Brooklyn museum. [Elektronski] Brooklyn

museum, 2010.

http://www.brooklynmuseum.org/opencollection/objects/124549/Biggin_Coffee_Pot.

[3.] Aliexpress. Coffee Maker. Aliexpress. [Elektronski] 2014.

http://www.aliexpress.com/item/9cups-Bialetti-Inoxpran-s-supplier-Italian-Stainless-steel-

coffee-maker-Espresso-Moka/426078582.html.

[4.] Moriondo, Angelo. First papent for espresso machine. vol. 33 n. 256 Italy, 1884.

machine.

[5.] Bob Kummerfeld . An Espresso Timeline. The university of Sydney. [Elektronski]

2015. [Navedeno: 14. 1 2015.] http://rp-www.it.usyd.edu.au/~bob/Coffee/coffee.html.

[6.] COFFEE VIDA LLC. LA PAVONI STRADIVARI 8-CUP ESPRESSO MACHINE.

Coffee kind. [Elektronski] 2014. http://coffeekind.com/la-pavoni/la-pavoni-stradivari-8-cup-

espresso-machine.

[7.] Oncoffeemakers.com . What Is A Good Coffee Making Machine? oncoffeemakers.

[Elektronski] 2014. http://www.oncoffeemakers.com/coffee-making-machine.html.

[8.] Acosta.eu. Wigomat-espresso-kaffeemaschine. wikimedia. [Elektronski] Wigomat, 20.

april 2012. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wigomat-espresso-kaffeemaschine.jpg.

[9.] Buying Guide: Automatic and Semi-Automatic Espresso Machines. cup and

brew. [Elektronski] cup and brew, 2014. http://cupandbrew.com/pages/buying-guide-

automatic-and-semi-automatic-espresso-machines.

[10.] Black bear coffee. How to Brew "The Perfect Cup" of Coffee. Black bear coffee.

[Elektronski] 2012. [Navedeno: 24. 1 2015.] https://blackbearcoffee.com/resources/87.

[11.] Machina espresso. Rocket Giotto Evoluzione V2 - HX. Machina espresso.

[Elektronski] Machina espresso, 2014. http://www.machina-

espresso.co.uk/products/rocket-giotto-evoluzione-v2-hx.

[12.] Delonghi. INISSIA EN 80.B. delonghi.com. [Elektronski] Delonghi, 2014.

http://www.delonghi.com/en-au/products/coffee/coffee-makers/nespresso-system/inissia-

en-80b-0132193089.

[13.] Ramainox. Ramainox. Ramainox. [Elektronski] Ramainox, 2014. http://ramainox.si/.


76

[14.] Splošno o inox jeklu. Ramainox. [Elektronski] [Navedeno: 29. 1 2015.]

http://ramainox.si/produkti/splosno_o_inox_jeklu/.

[15.] Impresum. Baker. Surovine. [Elektronski] Impresum, 2008. [Navedeno: 25. 1 2015.]

http://www.surovine.si/baker.php.

[16.] mcmahons. Pipe. mcmahons. [Elektronski] 2014. http://www.mcmahons.ie/heating-

plumbing/plumbing-supplies-heating/pipe.html.

[17.] T. Kosec, I. Milošev. Korozijski procesi, vrste korozije in njihove zaščite. s.l. : Institut

Joţef Stefan, 2004. ISSN 0351-9716.

[18.] Dassault systems. Solidworks. Solidworks. [Elektronski] Dassault systems, 2014.

http://www.solidworks.com/.

[19.] Ebay. AC 220V 3KW Water Boiler Heater Element U Design Tubular Bundle Heater.

Ebay. [Elektronski] 2015. [Navedeno: 9. 8 2014.] http://www.ebay.com/itm/AC-220V-3KW-

Water-Boiler-Heater-Element-U-Design-Tubular-Bundle-Heater-

/331212375931?pt=AU_Business_Industrial_Industrial_Supply_MRO&hash=item4d1dcbc

77b&nma=true&si=b8MSPZwRpBGKhu5oJ6cQzSiEInk%253D&orig_cvip=true&rt=nc&_tr

ksid=p204.

[20.] doc. dr. Darko Goričanec, dr. Lucija Črepinšek – Lipuš. Prenos toplote. Maribor :

Univerza v Mariboru, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, 2008.

[21.] The engineering toolbox. Overall Heat Transfer Coefficient. The engineering

toolbox. [Elektronski] The engineering toolbox, 2014.

http://www.engineeringtoolbox.com/overall-heat-transfer-coefficient-d_434.html.

[22.] Lea, Trystan. 4x Multiplexed RTD Temperature sensor module. Open energy

monitor. [Elektronski] 30. 11 2010. [Navedeno: 6. 11 2014.]

http://openenergymonitor.org/emon/buildingblocks/rtd-temperature-sensing.

[23.] Texas instruments. MSP430x2xx Family User's Guide. s.l. : Texas instruments,

2013. SLAU144J.

[24.] Kummerfeld, Bob. Timeline of espresso. The university of Sydney. [Elektronski]

2013. [Navedeno: 15. 1 2015.] http://rp-www.it.usyd.edu.au/~bob/Coffee/coffee.html.

Documents

Zasnova in izdelava naprave za pripravo kavnih napitkov – skupni koeficient konvektivnega prenosa toplote (W/(m2 K), dx w – debelina stene (m), h a, 2h b – koeficienta konvektivnega