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Optimierung des Backprozesses durch variable Gestaltung der Wärmeübertragun

 

 

„Cereals Technology“

Wissenschaftliche puBlikation 01/2018

1. Anforderung an den Backprozess

Neben den Prozessparametern Zeit und Temperatur ist die Art der Wärmeübertragung entscheidend für die Gestaltung des Backprozesses. Bis zur ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurde Wärme während des Backprozesses im Wesentlichen durch Wärmestrahlung übertragen. Die gewählte Strah-lungsintensität ist vom gewünschten Backergebnis und der Backware abhängig. Für Brot, Weizenkleingebäck und Feine Backwaren werden vorzugsweise Emissionstemperaturen gewählt, die im nichtsichtbaren Infrarotbereich zwischen 150 und 300° Grad liegen. Ausnahmen bilden Backwaren, die aufgrund der gewünschten Struktur im sichtbaren Infrarot-bereich mit Emissionstemperaturen bis 800° Grad gebacken werden.

Die Wärmeübertragung durch Strahlung hat technologisch für den Backprozess die höchste Bedeutung und wird nach wie vor im handwerklichen wie im industriellen Maßstab angewendet. Um den Backprozess zu optimieren und Prozesszeiten sowie den Energieaufwand zu reduzieren, haben sich in den letzten Jahrzehnten auch Konvektionsöfen für die Herstellung von Backwaren durchgesetzt. Durch Strömungsgeschwindigkeiten von drei bis fünf Meter/Sekunde wird die Intensität der Wärmeübertragung erhöht.

Die Temperatur des Energieträgers kann in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit reduziert werden. Ein weiterer Effekt wird durch die Verringerung der Backzeit erreicht. Besonders bei Kleingebäcken können auch qualitative Vorteile gegenüber Strahlungsöfen erzielt werden. Bei Durchlauf- oder Tunnelöfen, die ausschließlich mit Strahlung beheizt werden, kann durch die offene Bauweise Falschluft das Ofenklima besonders im Bereich des Einlaufes und des Auslaufes verändern. Dieser unerwünschte Luftaustausch ist abhängig von den Partialdrücken im Backraum und in der den Ofen umgebenden Atmosphäre. Durch Anpassung der Druckverhältnisse in der Umgebungsatmosphäre, zum Beispiel durch Luftschleier, durch erhöhte Emissionstemperatur im Ofenein- und Auslauf oder zugeschaltete Konvektion in der ersten Backzone, kann der Wärmeverlust teilweise kompensiert werden.

Öfen, die vorrangig durch Konvektion beheizt werden, eignen sich aber nicht für die Herstellung von Großgebäcken wie freigeschobenes Brot, Stollen oder Sandkuchen. Für jede Gebäckart gibt es eine ideale Wärmeübertragung. Darüber hinaus kann sich, abhängig vom Gebäck, der Rezeptur und der gewünschten Qualität, die ideale Wärmeübertragungsart während des Verlaufes des Backprozesses ändern. Aufgrund der thermischen Trägheit bestehender Ofensysteme ist eine zeitrelevante und flexible Anpassung der Temperatur bzw. Wärmeübertragung während des Prozessverlaufes bisher nicht möglich.

Weiterhin ist die Produktion von Backwaren mit Monolinien zwar ideal, wird aber aufgrund kleinerer Losgrößen und ständig wechselnder Sortimente immer mehr zu einer Ausnahme der Prozessführung. Hinsichtlich der verfahrenstechnischen Gestaltung von Backöfen sind Kompromisse unumgänglich. Durch die Entwicklung des Backwarensortimentes in Abhängigkeit veränderter Verzehrsgewohnheiten ergeben sich folgende Anforderungen an den Backprozess:

  • große Variabilität
  • gleichmäßiges Backergebnis
  • Reduzierung des Energieverbrauches
  • Steuerung des Backraumklimas

Mit dieser Herausforderung konfrontiert entwickelten die Firmen Kuchenmeister GmbH und German Lebensmitteltechnologie GmbH ein variables Wärmeübertragungsverfahren für den Backprozess. Mit der Firma Kornfeil aus Tschechien wurde ein kompetenter Partner gefunden, der dieses Verfahren konstruktiv umsetzte.

2. Auswahl der Energieträger und Kombinati-on der Wärmeübertragungsarten

Wärmeübertragungsarten treten selten völlig sepa-rat auf, die Priorität hat entweder die Konvektion oder die Strahlung. Typische Bauformen dieser an-gewendeten Wärmeübertragungen sind

  • Umwälz- bzw. Zyklothermöfen und Thermoölöfen, die durch Wärmestrahlung beheizt werden und
  • Konvektionsöfen, bei denen die Wärmeübertragung durch turbulente Luftströmung übertragen wird.

Neben den priorisierten Wärmeübertragungsarten wird Wärme parallel durch Kondensation zu Beginn des Backprozesses und Wärmeleitung auf die Backware übertragen. Der Vorteil der Verwendung von Thermoöl als Energieträger liegt in der höheren spezifischen Wärmekapazität von Thermoöl von ca. 2,7 kJ/kg K in Abhängigkeit von der Temperatur und Öltyp im Vergleich zu Luft von 1,005kJ/kg K. Durch die höhere Dichte des Thermoöles von 750kg/m3 im Vergleich zu Luft von 1,204kg/m3, ist die Masse des Energieträgers wesentlich höher als bei einem Umwälzofen. Während Heißluft bei einem Umwälzofen durch ein Kanalsystem zirkuliert, wird das Thermoöl in mehreren Sekundärkreisläufen durch Radiatoren gepumpt, die Wärme in den Backraum abstrahlen. Eine differenzierte Wärmeübertragung in den Backraum ist bei Thermoöl gegeben. Der Vorteil von Luft besteht in der geringeren Trägheit bei durch Produktwechsel notwendiger Abkühlung des Energieträgers und der höheren Maximaltemperatur von Luft gegenüber Thermoöl. Aufgrund der thermodynamischen Eigenschaften haben wir uns bei der Konzeption des variablen Ofens für Thermoöl als Primärenergieträger entschieden.

3. Aufbau und Funktionsweise des variablen Thermoölofens

Der Backofen wurde als Durchlaufofen ausgelegt. Ausgehend von der Ofenlänge werden separate Backraumsegmente mit einer Länge von 2.500 mm und einer Breite von 1.000 bis 3.500 mm in Abhän-gigkeit von der gewünschten Backfläche zu einem Durchlaufofen kombiniert. In jedem Segment be-steht die Funktion mit separaten Ventilatoren Luft aus dem Backraum anzusaugen und das Backgut vom oberen bzw. unteren Radiator vertikal anzu-strömen. Die Lüfter sind frequenzgesteuert, sodass voneinander unabhängig die Strömungsgeschwindig-keit und die Luftmenge gesteuert werden können. Die Strömungsgeschwindigkeit liegt in Abhängigkeit von der Lüfterbauart zwischen drei und 15 m/s. In dem Ausführungsbeispiel wird eine Strömungsgeschwin-digkeit von fünf m/s bei 30 Hz und neun m/s bei 50 Hz erreicht.

Die aus dem Backraum abgesaugte Luft strömt turbulent auf und zwischen dem Back-gut. Durch die turbulente Strömung wird die fluide Grenzschicht minimiert und der Wärmeübergang verbessert. In der folgenden Abbildung erkennt man die Reduzierung der fluiden Grenzschicht bei turbu-lenten Rohrströmungen im Vergleich zu einer lami-naren Strömung. Die zwischen den Backformen bestehenden Zwischenräume können in unserem Anwendungsfall als Rohrströmung betrachtet werden.

Im Vergleich zu bestehenden Backöfen werden bei dem variablen Thermoölofen zwei unabhängige Energieträger parallel oder einzeln verwendet. Die einzige Abhängigkeit zwischen den beiden Energieträgern besteht in der Aufheizung des sekundären Energieträgers Luft durch den primären Energieträger Thermoöl. Thermoöl dient als Energieträger für die Wärmestrahlung und wird in separaten Kreisläufen durch die Radiatoren der einzelnen Ofensegmente gefördert. Jedes Ofensegment besitzt jeweils einen Radiator für die Oberhitze und Unterhitze.

Die Thermoölheizung besteht aus einem Primärkreis, der vier Sekundärheizkreise versorgt. Je nach Länge des Ofens speist jeder Sekundärkreis ein bis vier Ofensegmente mit einer separaten Ölpumpe. Die sich im Backraum aufgeheizte Luft wird ausschließlich für die Konvektion genutzt. Abbildung 2 zeigt den Querschnitt eines Ofensegmentes. Je Segment saugen zwei Lüfter unbhängig voneinander Luft aus dem Backraum und fördern diese durch Windkästen in den Backraum. Der Querschnitt der Windkanäle reduziert sich in Förderrichtung, um Druckverluste auszugleichen. Die Strömungsaustrittsrichtung ist jeweils vertikal. Die Windkanäle sind durch die Radiatoren (Pillows) vom Backraum getrennt. Zwischen den ölführenden Strängen des Radiators befinden sich Bohrungen in definierten Abständen, die als Eintrittsdüsen für die Heißluft dienen. In der Abbildung 3 ist ein Radiator als Draufsicht schematisiert dargestellt.

4. Vorteile des variablen Thermoölofens

Durch die parallele, voneinander unabhängige Nutzung von Konvektion und Strahlung kann die Thermoöltemperatur nach den Erkenntnissen bei der Inbetriebnahme des Ofens um 20 K bis 30 K gesenkt werden. Die Temperaturreduzierung ergibt sich aus der technologisch notwendigen Strömungsgeschwindigkeit der turbulenten Luftströmung. Die Energieeinsparung liegt zwischen vier bis zehn Prozent je 10 K Temperaturreduzierung. Durch die Reduzierung der Öltemperatur werden beim Aufheizen des Thermoöls sieben bis acht kWh pro zehn K Temperaturreduzierung je 1000 Kilo Thermoöl eingespart. Die spezifische Energieübertragung in jedem Ofensegment ermöglicht eine optimale Einstellung der Energieübertragung in zeitlicher Abhängigkeit vom Backprozess.

Der Bediener hat die Möglichkeit während des Verlaufes des Backprozesses die Konvektions- und Strahlungsintensität anzupassen. Durch die vertikale Strömungsrichtung der Heißluft wird eine Beeinflussung der Strömung zwischen den einzelnen Segmenten im Vergleich zu einer horizontalen Strömung minimiert. Durch die Spezifik der Energieübertragung kann mit dem variablen Thermoölofen ein breites Sortiment von Backwaren unter angepassten, optimalen Backbedingungen hergestellt werden.

5. Steuerung des Backraumklimas

Der von der Firma Kornfeil gebaute variable Thermoölofen wurde mit einer Steuerung der Firma German Lebensmitteltechnologie (GLT) ausgerüstet, um die verfahrenstechnischen Möglichkeiten durch die Steuerung der Prozessparameter maximal zu nutzen. Mit dem Einsatz der GLT-Ofensteuerung wer-den energetische und technologische Prozesspara-meter optimal geführt. Die Steuerung misst und re-gelt die Temperatur aller Thermoölkreise im Vorlauf und im Rücklauf und passt die Temperatur im pri-mären Thermoölkreis permanent an die Temperatur der Sekundärkreisläufe des Ofens an.

Dadurch wird der Energieverbrauch insbesondere gegenüber Backöfen reduziert deren Temperatur im Sekundärkreislauf konstant ist. Bei Erkennen einer Produktionslücke zwischen den Produktreihen im Ofen erfolgt eine Temperaturabsenkung in den Sekundärkreisläufen. Die Absenkung erfolgt spezifisch je nach Produktsorte. Darüber hinaus überwacht die Steuerung das Backraumklima, indem die Backraumtemperatur, die Taupunkttemperatur und der Kaminzug der Schwadenkamine gemessen und den Zielwerten spezifisch nach Produktsorte angepasst werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Backraumfeuchte technologisch sinnvoll im Backraum zu verschieben. So wird die Strahlungsintensität verbessert und der Backschwaden kann bei Bedarf für die Kondensation des Wasserdampfes auf der Gebäckoberfläche genutzt werden. Die Abbildung 5 zeigt die Übersicht der Prozesssteuerung auf dem Display des Bedienungspanels des Ofens.

Autor:

Rüdiger Jank