Modellreduktion für die Analyse eines Heizblocks einer Kaffeemaschine

Moderne Kaffeemaschinen haben hohe Ansprüche an die Zubereitung von heissem Wasser. Das Wasser muss möglichst schnell und in ausreichender Menge mit einer vorgegebenen Temperatur zur Verfügung gestellt werden. Gemeinsam mit der Hebling Technik AG in Wil hat das Institut für Computational Engineering ICE an der FE-Modellierung eines Heizblocks gearbeitet, und mit modernen Modellreduktionsmethoden ein Modell entwickelt, das in ein Werkzeug zur Auslegung eines Reglers integriert werden kann.

Keywords: Heizblock, Modellreduktion, model order reduction, MOR, proper orthogonal decomposition, POD, reduced order modelling

Die Herausforderungen an die Warmwasserbereitung in Kaffemaschinen sind:

• Das Wasser muss schon vorgeheizt zur Verfügung stehen, damit der Brühvorgang schnell starten kann
• Während des Brühvorgangs soll das Wasser innerhalb eines relativ engen Temperaturbereichs bleiben

Das Institut für Computational Engineering hat für einen Heizblock ein Finite-Element-Modell aufgebaut. Es simuliert den Heizvorgang, die Wärmeleitung von der Heizung durch die verschiedenen Materialien und das fliessende Wasser. Das Modell wurde mit Messungen, die bei der Helbling Technik AG durchgeführt wurden, verifiziert. Schliesslich wurden moderne Modellreduktionsverfahren angewendet, um das Modell durch wenige Freiheitsgrade abzubilden. Dadurch konnten verschiedene Szenarien schnell analysiert und ein optimaler Regler entwickelt werden.

Referenzen:

[1] Athanasios C. (2009) Antoulas, Approximation of Large-Scale Dynamical Systems, SIAM, 2009

[2] Benner P. et al. (1957) Dimension Reduction of Large-Scale Systems, Lecture Notes in Computational Sciences, Springer