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Dokumentenidentifikation DE202007010358U1 25.10.2007
Titel Vorrichtung zur Steuerung von Backparametern
Anmelder IGV Institut für Getreideverarbeitung GmbH, 14558 Bergholz-Rehbrücke, DE
Vertreter Sperling, Fischer & Heyner Patentanwälte, 01277 Dresden
DE-Aktenzeichen 202007010358
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 25.10.2007
Registration date 20.09.2007
Application date from patent application 25.07.2007
IPC-Hauptklasse F24C 7/08(2006.01)A, F, I, 20070725, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung von Backparametern, insbesondere zur Backluftfeuchteerfassung und -regelung, während eines Backprozesses in einem Backofen.

Bei der Herstellung von Backwaren besteht die Zielstellung während des Backprozesses darin, dass die Qualitätsmerkmale, wie z. B. Form, Glanz, Bräunung und Volumen, in dem gewünschten Maße kostengünstig in einer bestimmten Zeit erreicht werden. Im Teigling bzw. in der Masse laufen während des Backprozesses eine Vielzahl von verschiedenen biochemischen und physikalischen Reaktionen ab, die letztlich die Qualität des Fertigerzeugnisses bestimmen.

Diese biochemischen und physikalischen Reaktionen werden durch die wesentlichen Backparameter, wie z. B. durch die Dampfmenge, die Backtemperatur, die Zeit, das Strömungsbild der Backluft und durch schlecht erfassbare Störgrößen, wie das Öffnen und Schließen der Ofenklappen, entscheidend beeinflusst.

Die Dampfzugabe, respektive die Beschwadung zu Beginn des Backprozesses, hat eine besondere technologische Bedeutung. Durch die Kondensation des Dampfes auf den noch kalten Teiglingen erfolgt eine schlagartige Energieübertragung auf die Oberfläche der Teiglinge, so dass die Temperatur an der Oberfläche innerhalb von wenigen Sekunden von 30 auf 80 °C ansteigt. Durch Verkleisterung der Stärke und Denaturierung der Proteine bildet sich eine feste Backhaut, die den Ofentrieb und die Ausbundbildung unterstützt. In Verbindung mit dem Kondensat bildet sich eine Mikroschicht auf der Teiglingsoberfläche. Der Stärkekleister fließt durch die hohe Backtemperatur auseinander und bildet eine glatte Oberfläche (Dextrinierung, Glanzbildung).

Die Steuerung der Beschwadung, also das gezielte Einbringen der erforderlichen Dampfmenge zu Beginn des Backprozesses, sowie das Abführen von Dampf zu bestimmten Zeitpunkten wird mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Mitteln, obgleich der immensen Bedeutung für den Backprozess, nur unzureichend gelöst.

Infolge unzureichender Dampfgabe entstehen einerseits unerwünschte Krustenrisse am Backgut, und andererseits wird der enzymatische Abbau der Stärke bzw. der daraus entstehenden Zuckerstoffe, die zur Glanzbildung und Krustenbräunung beitragen, verhindert bzw. verzögert.

Ein verspätetes Abführen des Dampfes aus dem Backraum nach der Einwirkung des Dampfes auf der Oberfläche der Teiglinge führt beim Backen von Roggen- und Roggenmischbrot hingegen zum Auseinanderlaufen der Teiglinge und zur Bildung von Krustenrissen.

Während des Backprozesses verdampft das Wasser aus der Oberfläche der Teiglinge und lässt die Backluftfeuchte auf Taupunkttemperaturen bis ca. 98 °C ansteigen. Durch zielgerichtete Entfernung der Backluftfeuchte zum Ende des Backprozesses werden die Bräunungsreaktionen beschleunigt, und die Backzeit kann bis zu 25 % verkürzt werden.

Es besteht seit längerer Zeit bei Betreibern von Backöfen der Wunsch, mit geeigneten Mitteln eine kontinuierliche Backluftfeuchtemessung zur Steuerung des Backprozesses realisieren zu können. Die aus dem Stand der Technik allgemein bekannten Messgeräte zur Erfassung der Backluftfeuchte sind: Taupunkt-Hygrometer, Lithium-Chlorid-Hygrometer, Psychrometer, thermodynamische Taupunkt-Hygrometer, kapazitive und Halbleitersensoren oder auch Zirkonoxid-Sensorverfahren.

Diese Feuchtemessgeräte unterscheiden sich infolge ihrer unterschiedlichen Messverfahren und ihres technischen Aufbaus in den Punkten: Messgröße, Messbereich, Fehlergrenzen, Hysterese und Einstellzeit, Klimaabhängigkeit, insbesondere unter Druck, Temperatur und Luftgeschwindigkeit, Alterung, Nullpunktdrift, Wartung, Messbereitschaft usw.

Trotz der großen Anzahl verschiedenartiger Feuchtemessgeräte ist kein für einen Backprozess geeignetes Feuchtemessgerät für Backtemperaturen größer als 200 °C auf dem Markt verfügbar, das einerseits für die speziellen Einsatzbedingungen, nämlich für die wechselnden Druck- und Temperaturbedingungen, in einem Backofen uneingeschränkt einsetzbar ist und andererseits durch seinen einfachen technischen Aufbau die Grundlage für eine kostengünstige Massenproduktion, auch zur Nachrüstung vorhandener Backöfen, geeignet ist.

In der Vergangenheit beschränkte sich die Führung des Backprozesses auf eine zeitgesteuerte Temperatursequenz. Die bereits erwähnte Steuerung der Beschwadung und die kontinuierliche Backluftfeuchtemessung wurde jedoch nur ansatzweise in Tunnelbacköfen realisiert. Als Grund hierfür sind die bisher ungeeigneten Geräte zur kontinuierlichen Backluftfeuchtemessung und die nicht unerheblichen Kosten dieser Geräte zu nennen. Eine preisgünstige Messtechnik fehlt auf dem Markt.

Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise ein Gargerät mit im Garraum abstellbarem Garbehältnis zum Dampfgaren bekannt, das in der DE 196 38 664 offenbart ist. Der Grundgedanke dieser Erfindung besteht darin, die erforderliche Dampfmenge beim Dampfgaren mittels geeigneter Sensoren steuern zu können. Zur Anwendung kommt hierbei ein Temperatursensor und alternativ ein Feuchtesensor. Wie der Beschreibung zu entnehmen ist, erfassen diese Sensoren die Gradienten der Steuerparameter Temperatur und Feuchte, also die Änderung der Messgröße je Zeiteinheit, während des Garprozesses. Als Problem bezüglich eines Einsatzes dieses Feuchtesensors während des Backprozesses ist der geringe Messbereich zu nennen, der nur Temperaturen bis ca. 100 °C zulässt. Desweiteren sind die Unzuverlässigkeit und die geringe Lebensdauer dieses Feuchtesensors zu nennen.

Ein Messwerterfassungs- und Speichergerät für die Feuchtigkeit und die Temperatur zur Messung und Speicherung von Daten während des Backprozesses ist in der DE 40 22 964 offenbart. Signifikant für diese Erfindung sind die Sensoren, die als Temperaturfühler und temperaturbeständige Sauerstoffsensoren, die indirekt zur Erfassung des Feuchtigkeitsprofils dienen, ausgebildet sind. Das Klimaprofil kann während des Backprozesses bis zu einer Temperatur von 450 °C erfasst, aufgezeichnet und zur Steuerung des Backprozesses eingesetzt werden. Das aufgezeichnete Klima-Zeit-Profil wird hierbei zur Optimierung des Backprozesses eingesetzt. Besonders nachteilig an dieser Erfindung ist, dass das Messwerterfassungsund Speichergerät technisch sehr kompliziert aufgebaut ist und die Herstellung desselben sehr aufwendig ist. Die hierbei verwendeten Sauerstoffsensoren zum indirekten Erfassen der Feuchtekenngrößen durchlaufen gemeinsam mit den Teigformlingen den Backprozess.

In der DE 103 35 295 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung von Backparametern beschrieben, welche eine ganze Reihe der im Stand der Technik bekannten Nachteile behebt. Die Vorrichtung dient der Messung der Backluftfeuchte im Backherd von Heißluftumwälzöfen, wobei die Strömung im Ofen zur indirekten Erfassung der Feuchtekenngrößen genutzt wird. Nachteilig an der offenbarten Regelungsvorrichtung ist, dass in Backöfen mit ruhender Backatmosphäre das angewandte Messprinzip nicht geeignet ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine kostengünstige Vorrichtung zu entwickeln, mit der die Backluftfeuchte sicher in Backöfen mit ruhender Backatmosphäre während des Backprozesses erfasst und neben den Parametern Temperatur und Zeit als weiteren Steuerparameter für einen qualitätsgerechten Backprozess verwendet werden kann.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, dass durch den Einsatz einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die Menge an benötigtem Dampf erheblich reduziert wird und damit die Betriebskosten deutlich verringert werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung zur Steuerung von Backparametern, insbesondere zur Backluftfeuchteerfassung und -regelung gelöst, welche eine Regel- und Steuereinheit sowie eine in einem Bypass außerhalb der Backkammer angeordnete, von der Backraumluft anströmbare Messstelle zum indirekten Erfassen der Feuchtekenngrößen der Backraumluft umfasst, wobei die Temperaturmessstelle mittels einer Befeuchtungseinrichtung die Feuchtkugeltemperatur tf erfassend ausgebildet ist und die Regel- und Steuereinheit des Backofens dazu ausgelegt ist, die von der Temperaturmessstelle erfasste Feuchtkugeltemperatur tf mit einer Feuchtkugeltemperatursollgröße tf,Soll vergleichen zu können und in Abhängigkeit der Regelabweichung ein Ausgangssignal zu erzeugen.

Alternativ wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Steuerung von Backparametern, insbesondere zur Backluftfeuchteerfassung und -regelung gelöst, welche eine Regel- und Steuereinheit sowie mehrere in einem Bypass außerhalb der Backkammer angeordnete Messstellen zum indirekten Erfassen der Feuchtekenngrößen der Backraumluft umfasst, wobei eine erste Temperaturmessstelle und eine zweite Temperaturmessstelle vorgesehen sind, wobei die erste Temperaturmessstelle die Trockenkugeltemperatur ttr und die zweite Temperaturmessstelle mittels einer Befeuchtungseinrichtung die Feuchtkugeltemperatur tf erfassend ausgebildet sind und die Steuer- und Regeleinheit des Backofens dazu ausgelegt ist, die von den beiden Temperaturmessstellen erfasste Feuchtkugeltemperatur tf und Trockenkugeltemperatur ttr in eine Feuchtekenngröße der Backraumluft umzuwerten.

Zur Realisierung der ersten bevorzugten Ausführungsvariante ist eine Vorrichtung mit einer ersten Temperaturmessstelle in einer Bypassleitung zum Backraum vorgesehen, die die Feuchtkugeltemperatur tf erfassend ausgebildet ist, um ein Ausgangssignal zur Steuerung des Backprozesses zu erzeugen. Diese Temperaturmessstelle weist ein kontinuierlich befeuchtetes Thermo- oder Pt-Element auf, welches von einer saugfähigen Hülle vollständig umfasst wird. Die Dauerbefeuchtung der Hülle wird mittels in einem Reservoir gespeicherten kondensierten Dampfes bzw. entkalktem Wassers sichergestellt. Der in dem Reservoir zu Wasser kondensierte Dampf wird als Wasser über eine Versorgungsleitung der saugfähigen Hülle zur Verfügung gestellt. Die Dauerbefeuchtung der Hülle des Thermoelements erfolgt in besonders vorteilhafter Weise selbsttätig und ohne Hilfsenergie. Sofern im Reservoir ein minimaler Füllstand unterschritten ist und damit die Gefahr besteht, dass das Thermo- oder Pt-Element nicht mehr kontinuierlich befeuchtet wird, erfolgt automatisch eine Befüllung des Reservoirs mittels einer an das Reservoir angeschlossenen Wasser-Notversorgung. Die Dauerbefeuchtung kann aber alternativ auch durch eine taktweise Zwangsbefeuchtung erfolgen.

Die Thermo- oder Pt-Elemente sind besonders einfach aufgebaut und zudem sehr kostengünstig. Eine Nachrüstung derselben in bestehende Backöfen erweist sich als besonders geeignet, da die Regel- und Steuereinheit aller Backöfen bereits Schnittstellen zur Erfassung mindestens einer Temperatur aufweist und somit eine Implementierung einer weiteren Temperaturmessstelle unproblematisch ist.

Zur Realisierung der zweiten bevorzugten Ausführungsvariante ist in der Bypassleitung oder im Backraum eine zweite Temperaturmessstelle vorgesehen, die zusätzlich auch die Trockenkugeltemperatur ttr der Backraumluft erfasst und der Regel- und Steuereinheit zuführt. Diese Temperaturmessstelle kann ebenso wie die die Feuchtkugeltemperatur tf messende erste Temperaturmessstelle als Thermoelement oder Pt-Element ausgebildet sein. Diese beiden erfassten Temperaturmessgrößen tf und ttr werden der Steuer- und Regeleinheit des Backofens zugeführt und in mindestens eine Feuchtekenngröße umgewertet. Mit Kenntnis dieser Feuchtekenngröße(n) wird ein Ausgangssignal zur Regelung der Backraumluft erzeugt.

Damit stehen der Regel- und Steuereinheit des Backofens zwei Temperatureingangssignale, nämlich die Feuchtkugeltemperatur tf und die Trockenkugeltemperatur ttr der Backraumluft, zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung. In Anwendung des psychrometrischen Prinzips können geeignete Feuchtekenngrößen, wie zum Beispiel die absolute Feuchte, ermittelt werden. In der Steuer- und Regeleinheit des Backofens können die absolute Feuchte oder die Taupunkttemperatur ttau ermittelt werden, wobei erstere zweckmäßiger in der Einheit g/m3 Luft angegeben wird.

Grundsätzlich lässt sich diejenige Temperaturmessstelle, die in jedem Backraum bereits vorhanden ist, auch zur Erfassung der Trockenkugeltemperatur ttr nutzen.

Ein besonderer Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass durch die Aufzeichnung von Backklimakurven mit den Parametern Temperatur, Zeit und Feuchte der Backprozess wiederholbar ist. Das führt zu einer höheren und gleichmäßigen Qualität des Backgutes, da in jedem Zeitpunkt des Backprozesses die für die Ausbildung der Kruste und der Krume der Teiglinge erforderlichen Klimabedingungen optimal erfüllt sind. Die Backparameter werden dazu in der Regel- und Steuereinheit abgespeichert und nach Bedarf wieder abgerufen.

In einer alternativen Ausgestaltung ist diese Steuer- und Regeleinheit selbstlernend ausgebildet. Das heißt, der Betreiber kann nicht nur ein vorhandenes Klimaprofil abrufen, sondern auch in einem Lernmodus der Steuer- und Regeleinheit ein Klimaprofil erzeugen und abspeichern. Die manuell einstellbaren Backparameter Zeit, Temperatur und Feuchte können dazu vom Betreiber des Umluftofens fortlaufend durch Inaugenscheinnahme der zu backenden Teiglinge neu parametriert und mittels der Regel- und Steuereinheit abgespeichert werden.

Die Zuführung von Wasser oder Dampf in die Backkammer erfolgt durch eine nicht näher spezifizierte Beschwadungseinrichtung. Die Erhöhung der Feuchte der Backraumluft wird bevorzugt mit Dampf realisiert, da sich gemäß der thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten dabei die Zustandsänderung der Backraumluft parallel zu den Isothermen vollzieht und damit die Trockenkugeltemperatur ttr nahezu konstant bleibt.

Dem Einbringen von Wasser haftet der Nachteil an, dass die Zustandsänderung der Backraumluft sich parallel zu den Enthalpie-Linien vollzieht, was stets mit einer Abkühlung, unabhängig von der Temperatur des eingebrachten Wassers, der Backraumluft verbunden ist.

Die Entnahme von überschüssigen Dampf aus der Backkammer wird beispielsweise mittels automatisch gesteuerten Dampfabzugsklappen realisiert, die zusätzlich auch manuell und programmunabhängig steuerbar ausgebildet sein können.

Durch das gesteuerte Einbringen und Entnehmen von Dampf in bzw. aus dem Backraum bzw. der Backkammer kann mit der Vorrichtung in erheblichem Umfang Wasser, vor allem bei der Dampfgabe zu Beginn des Backprozesses, und Energie durch gezielte Dampfabführung und damit Verkürzung der Klappenöffnungszeit nach Dampfgabe beim Backen von Roggen- und Roggenmischbrot sowie ein gezieltes Öffnen von Klappen zum Ende des Backprozesses, insbesondere zur Beschleunigung der Bräunungsreaktionen und Backzeitverkürzung, eingespart werden.

Mit der Messung und Steuerung der Luftfeuchte steht dem Backprozess ein weiterer Parameter zur Wiederholbarkeit des Backklimas zur Verfügung, was sich positiv auf die Verminderung der Acrylamidbildung im Backgut auswirkt. Acrylamid bzw. Acrylsäureamid ist wegen seiner schädigenden Wirkung in Bezug auf das Zentralnervensystem und auf die Fein- und Grobmotorik der Menschen als besonders gefährlich eingestuft.

Die erfindungsgemäße Backluftfeuchteerfassung, -steuerung und -regelung kann in allen Vorrichtungen zum Backen von Backgut angewendet werden.

Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die Backluftfeuchteerfassung, -steuerung und -regelung kontinuierlich erfolgt. Damit können etwaige Fehler beim Backen, z. B. unzureichende Dampfmenge bei der Schwadengabe bzw. Undichtheiten am Backofen, rechtzeitig erkannt und geeignete Maßnahmen, wie z. B. eine Alarmsignalisierung, eine zusätzliche Dampfgabe oder eine Dampfabfuhr, eingeleitet werden.

Die Erfindung wird durch das Vorsehen von technischen Mitteln für die tropfenweise getaktete Befeuchtung der Temperaturmessstelle für die Feuchttemperatur alternativ vorteilhaft ausgebildet.

Die signifikanten Merkmale und die erzielbaren Vorteile der Erfindung durch Einsatz der integrierten Feuchteerfassung und Feuchtesteuerung des Backprozesses sind im Wesentlichen:

  • • einfache und kostengünstige, auf dem psychrometrischen Prinzip basierende Vorrichtung zur Erfassung der Backluftfeuchte,
  • • erhebliche Wasser- und Energieeinsparung während des Backprozesses durch gesteuertes Einbringen von Dampf,
  • • Backzeitverkürzungen durch Verringerung der Backluftfeuchte zum Ende des Backprozesses,
  • • optimalere Auslastung der Backöfen,
  • • durch Aufzeichnung von Backklimakurven mit den Parametern Temperatur, Zeit und Feuchte ist der Backprozess wiederholbar,
  • • höhere und gleichmäßigere Qualität des Backgutes,
  • • Verminderung der Acrylamidbildung im Backgut und
  • • einfache Nachrüstbarkeit bei vorhandenen Backöfen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen.

Dabei zeigen:

1 Schema Backofen mit Bypassfeuchtemessung,

2 schematische Darstellung der zweiten Temperaturmessstelle,

3 Darstellung der Graphen Feuchtkugeltemperatur tf und Taupunkttemperatur ttau im Temperatur-Zeit-Diagramm und

4 Darstellung der Graphen Trockenkugeltemperatur ttr, Feuchtkugeltemperatur tf, Krumetemperatur tKU und Krustentemperatur tKS im Temperatur-Zeit-Diagramm.

Eine schematische Darstellung eines Backofens 3 mit den zugehörigen Komponenten ist in 1 dargestellt. Der Backofen 3 umfasst im Wesentlichen eine Backkammer 4 sowie eine Beschwadungseinrichtung 6. Weiterhin ist ein Bypass 2 für die Backraumluft an der Backkammer 4 vorgesehen.

Die universelle Messung der Feuchttemperatur erfolgt nicht im Backraum, sondern über einen Bypass 2 außerhalb des Ofens. Dazu wird ein kleiner Teil der Luft aus Backkammer 4 durch den Bypass 2 über die Temperaturmessstelle 1 mit der zugehörigen Befeuchtungseinrichtung 7 und einem Wasserreservoire 8 geleitet und danach wieder in den Backraum 4 zurückgeführt. Die Messung der Feuchttemperatur erfolgt mittels einer als Thermoelement bzw. Pt-Element ausgebildeten Temperaturmessstelle 1, die kontinuierlich befeuchtet wird und mit einer Luftströmung von 1 bis 3 m/sec, vorzugsweise 2 m/sec, umspült wird.

Die Befeuchtung des Feuchtthermometers wird entweder über das Ansaugen von Wasser mittels Baumwollfaser oder ähnlicher saugfähiger Fasern aus einem Vorratsgefäß oder über eine tropfenweise Taktung als Zwangsbefeuchtung geregelt.

Die Befeuchtungseinrichtung 7 ist mit einem Wasserreservoire 8 zur Sicherstellung der Befeuchtung versehen.

Die Feuchtemessung ist in das nicht näher dargestellte Regel- und Steuerungssystem des Backofens 3 integriert, wodurch eine umfassende Klimasteuerung der Backparameter Temperatur, Luftfeuchte und Zeit möglich ist.

Die Durchströmung des Bypasses 2 ermöglicht der Ventilator 5, der außerhalb oder unmittelbar an der Backkammer 4 angeordnet ist. Der Ventilator 5 weist rückseitig einen nicht dargestellten Ventilatorantrieb auf.

Nach einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird die Trockenkugeltemperatur ttr 13.1 der Backraumluft an einer zweiten Temperaturmessstelle 9 in der Messeinheit im Bypass 2 oder einer Temperaturmessstelle 10 in der Backkammer 4 erfasst und zum Zwecke der Kontrolle und Information für den Betreiber visuell dargestellt. Für diese Ausführungsform zur Feuchteregelung des Backprozesses werden die gemessenen Temperatursignale ttr 13.1 der Steuer- und Regeleinheit zugeführt und bei der Berechnung der Feuchtekenngrößen in Anwendung des psychrometrischen Prinzips berücksichtigt.

Die erste Temperaturmessstelle, die erfindungsgemäß die Feuchtkugeltemperatur tf 13.2 der Backraumluft erfasst, ist im Bypass 2 angeordnet und mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet. Diese erste Temperaturmessstelle 1 umfasst in der Ausgestaltung nach 2 ein Thermoelement 1.1, welches von einer saugfähigen Hülle 1.2 umgeben ist. Die Dauerbefeuchtung dieser Hülle 1.2 wird mittels einer mit Wasser gefüllten Versorgungsleitung 1.3 realisiert. Das erste Ende der Versorgungsleitung 1.3 weist eine offene Mündung 1.5 auf, in die die saugfähige Hülle 1.2 zumindestens teilweise eintaucht. Das zweite Ende der Versorgungsleitung 1.3 ist mit einem nicht dargestellten Wasserreservoir fest verbunden. Das Thermoelement 1.1 selbst ist oberhalb der Mündung 1.5 des ersten Endes der Versorgungsleitung 1.3 angeordnet, um von der Backraumluft über den Bypass 2 frei angeströmt zu werden.

Der während des Backprozesses entstehende und nicht benötigte Dampf wird durch eine nicht dargestellte klappengesteuerte Abzugsvorrichtung aus der Backkammer abgeführt. Die Luftklappe weist einen nicht dargestellten Antrieb auf, der elektro-motorisch, elektro-hydraulisch oder elektro-pneumatisch ausgebildet sein kann. Dieser Antrieb ist elektrisch mit der Regel- und Steuereinheit des Backofens 3 derart verbunden, dass bei Über- oder Unterschreitung der einstellbaren Feuchtkugeltemperatursollwerte tf,Soll die Luftklappen mit einer sehr kurzen Stellzeit geöffnet bzw. geschlossen werden. Die Luftklappen sind derart ausgebildet, dass sich während eines Öffnungsvorgangs der freie durchströmbare Kanalquerschnitt progressiv erweitert, um eine exaktere Regelung zu erzielen.

Der sich an der Kanalinnenwandung des Abluftsystems abkühlende Dampf kann gegebenenfalls kondensieren und damit zu unerwünschten Unzulänglichkeiten führen. Zweckmäßigerweise ist ein Abluftsystem mit einem Kondensator ausgebildet, der das Kondensat über einen Kondensatablauf einem Wasserreservoir zuführt.

Das Wasserreservoir wird im Falle des Unterschreitens eines minimalen Füllstandes auch von einer Wasser-Notversorgung gespeist, wodurch kontinuierlich Wasser für die Dauerbefeuchtung des Themoelements 1.1 zur Verfügung steht.

2 illustriert schematisch den Aufbau der ersten Temperaturmessstelle 1 zur Erfassung der Feuchtkugeltemperatur tf 13.2. Die erste Temperaturmessstelle 1 weist als signifikantes Merkmal ein Thermoelement 1.1 auf, das mit der nicht dargestellten Steuer- und Regeleinheit des Backofens 3 elektrisch verbunden ist. Die Temperaturmesssignale tf 13.2 werden kontinuierlich erfasst und dieser Steuer- und Regeleinheit als Eingangsgröße zur weiteren Verarbeitung zugeführt.

Die Befeuchtung dieses als Feuchtethermometer ausgebildeten Themoelements 1.1 wird mittels einer saugfähigen Hülle 1.2 sichergestellt, die das Thermoelement 1.1 vollständig umschließt. Als bevorzugtes Material für die saugfähige Hülle 1.2 werden Glasseidengewebe, Musselinbäusche, Leinengewebe oder Kunstfasern eingesetzt.

Die Hülle 1.2 taucht zumindestens teilweise in die offene Mündung 1.5 eines vertikal angeordneten Leitungselements 1.4 einer hier horizontal angeordneten Versorgungsleitung 1.3 ein. Diese offene Mündung 1.5 der Versorgungsleitung 1.3 stellt das zweite Ende der Versorgungsleitung 1.3 dar, währenddessen das erste Ende der Versorgungsleitung 1.3 mit einem nicht dargestellten Wasserreservoir verbunden ist. Das von der saugfähigen Hülle 1.2 umschlossene Thermoelement 1.1 ist in Bezug auf die Mündung 1.5 des vertikal angeordneten Leitungselements 1.4 der Versorgungsleitung 1.3 derart angeordnet, dass dieses Themoelement 1.1 von der Backraumluft im Bypass 2 frei angeströmt werden kann. Die Strömungsgeschwindigkeit der Backraumluft beträgt dabei mindestens 2 m/s, um Messungenauigkeiten zu vermeiden.

In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich das Thermoelement 1.1 in einem Bereich zwischen 5 bis 20 mm über der Mündung 1.5 des Leitungselements 1.4. Erfindungsgemäß kann die saugfähige Hülle 1.2 auch von einem nicht dargestellten Metallröhrchen umhüllt sein, wobei dieses Metallröhrchen seinerseits in die Mündung 1.5 des Leitungselements 1.4 eingeführt ist. Mittels dieses nicht dargestellten Metallröhrchens können thermische Störungen weitestgehend vermieden werden. Unabhängig von der Baulänge des vertikal angeordneten Leitungselements 1.4 ist sichergestellt, dass eine kontinuierliche Befeuchtung der saugfähigen Hülle 1.2 durch das im Wasserreservoir bevorratete Wasser erfolgt. Dadurch, dass das Wasser aus dem Wasserreservoir angesaugt wird, konnte auf einen elektrischen, hydraulischen oder pneumatischen Antrieb verzichtet werden. Die Dauerbefeuchtung der saugfähigen Hülle 1.2 und damit des Thermoelements 1.1 erfolgt demnach ohne Hilfsenergie nach rein physikalischen Gesetzmäßigkeiten. Die Triebkraft für die Wasserfortleitung ist der Konzentrationsunterschied innerhalb der saugfähigen Hülle 1.2.

Im hier dargestellten Beispiel wird das vertikal angeordnete Leitungselement 1.4 und die horizontal ausgerichtete Versorgungsleitung 1.3 von einem Überlaufrohr 1.6 umhüllt, um überschüssiges angesaugtes Wasser gefahrlos abzuführen und für die weitere Nutzung zur Verfügung zu stellen. Dieses Überlaufrohr 1.6 kann auch dann vorgesehen sein, wenn die Höhe des Wasserspiegels im Leitungselement 1.4 vorteilhaft über eine elektronische Höhenmessung erfolgt. Als Messsensoren können alle üblichen Messsensoren eingesetzt werden.

In der 3 sind die Feuchtkugeltemperatur tf 13.2 und die Taupunkttemperatur ttau 13.5 in Abhängigkeit von der Zeit in einem Diagramm grafisch dargestellt. Es ist ersichtlich, dass sich im oberen Temperaturbereich, der für die Backluftfeuchtemessung ausschlaggebend ist, die Feuchttemperatur und die Taupunktttemperatur nahezu identisch sind. Diese Erkenntnis kann in vorteilhafter Weise derart genutzt werden, dass es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ausreichend ist, die Feuchtkugeltemperatur tf 13.2 zu messen und diese der Steuer- und Regeleinheit als Eingangsgröße zur weiteren Verarbeitung zuzuführen.

Die Feuchtkugeltemperatur tf 13.2 wurde mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, respektive mit der Temperaturmessstelle 1, erfasst und aufgezeichnet. Die feuchte Backraumluft, die sich infolge einer Verdunstung abkühlt, wird am Feuchtethermometer 1.1 gemessen und entspricht hierbei der Feuchtkugeltemperatur tf 13.2.

Die Taupunkttemperatur ttau 13.5 hingegen wurde mittels Software ermittelt, wobei als Eingangsgrößen die gemessene Feuchtkugeltemperatur tf 13.2 und die gemessene Trockenkugeltemperatur ttr 13.1 in die Berechnung einflossen. Die Berechnung erfolgt nach dem psychrometrischen Prinzip: pd = pf – k(ttr – tf) p in mbar(1) und

Hierbei bedeuten:

ttr
= Temperatur des trockenen Thermometers/Trockenkugeltemperatur in °C,
tf
= Temperatur des feuchten Thermometers/Feuchtkugeltemperatur in °C,
pd
= Teildruck/Partialdruck des Wasserdampfes in mbar,
p
= Gesamtdruck in mbar,
pf
= Dampfdruck bei der Feuchtkugeltemperatur tf in mbar,
k
= Konstante = 0,61 × 10–3 für Wasser/Luft und
ps
= Sättigungsdruck in mbar bei der Temperatur

Der Feuchttemperaturbereich beträgt bei der Dampfgabe zwischen 80 und 100 °C (Daten für Feuchttemperatur und Taupunkttemperatur sind nahezu identisch), bei der Entfeuchtung, je nach Öffnungszeit der Klappen, zwischen 30 und 70 °C.

Je nach zu backendem Produkt werden spezifische Backparameter (Temperatur, Zeit sowie Klappenöffnungszeiten) eingestellt.

Die 4 illustriert die Temperatur- und Zeitdaten für das Backen von Roggenmischbrot. Es sind die Trockenkugeltemperatur ttr 13.1 in der Ofenmitte, die Feuchtkugeltemperatur tf 13.2, die Temperatur der Krume tKU 13.3 und die Temperatur der Kruste tKS 13.4 in Abhängigkeit von der Backzeit dargestellt. Die Zeitachse ist repräsentativ für einen vollständigen Backprozess. Zu Beginn des Backens von Teiglingen, insbesondere von Brot und Brötchen, erfolgt eine Dampfgabe, wobei die Feuchtkugeltemperatur tf 13.2 in kürzester Zeit stark ansteigt. Der Dampf kondensiert an der Oberfläche der Teiglinge, wodurch die Temperatur schlagartig ansteigt und sich eine geschlossene Backhaut bildet.

Gemäß 4 steigt die Feuchtkugeltemperatur tf 13.2 in den ersten 120 sec von ca. 50 °C auf ca. 85 °C. Da dieser Backluftfeuchteanstieg erwartet wird, können geringere gemessene Feuchtkugeltemperaturen tf 13.2 ein Indiz für eine unvollständige oder gestörte Dampfgabe sein. Dies kann beispielsweise durch Undichtheiten im Umluftofen 3 oder durch eine unterbrochene Wasserzufuhr hervorgerufen werden. Infolge eines eventuell auftretenden Fehlers wird die Dampfmenge dann bis zu einem vorgegebenen Feuchtkugeltemperatursollwert tf,Soll erhöht.

Für den Anwendungsfall des Backens von Roggenmischbrot (4) muss beispielsweise die Feuchteregelung der Backraumluft bereits nach ca. 60 sec erfolgen, indem die Backluftfeuchte im Herd durch Öffnen einer gesteuerten Klappe 11 auf eine Feuchtkugeltemperatur von ca. 70 °C reduziert wird.

Eine bevorzugte Feuchtkugeltemperatur tf 13.2 beträgt 65 °C. Nach Erreichen dieser Feuchtkugeltemperatur tf 13.2 werden die Klappen 11 wieder verschlossen und die Feuchtkugeltemperatur tf 13.2 steigt durch Verdampfen von Wasser aus der Oberfläche der Teiglinge an, wobei sich in Abhängigkeit der Dichtigkeit des Ofens 3 eine Feuchtkugeltemperatur tf 13.2 zwischen 95 und 100 °C einstellt. Ca. 3 bis 5 Minuten vor dem Backprozessende werden wiederum die Klappen 11 geöffnet, was zu einer erneuten Reduzierung der Backluftfeuchte führt. Im Ergebnis dieser Reduzierung der Backluftfeuchte wird die Krustenbräunung beschleunigt und die Backzeit erfindungsgemäß verkürzt. Es lässt sich erschließen, dass der Backprozess neben den Backparametern Temperatur und Zeit nunmehr auch in Abhängigkeit der Feuchte geregelt wird. Es wird an dieser Stelle ausdrücklich erwähnt, dass die genannten Backphasen und die Temperaturbereiche in Abhängigkeit des Backgutes differieren können, so dass eine im Diagramm dargestellte Quantifizierung nur beispielhaften Charakter hat. Bei Roggengebäcken bildet sich im Gegensatz zu Weizengebäcken sehr rasch eine erstarrte Kruste aus. Bei Weizengebäcken muss die Kruste hingegen im ersten Teil des Backprozesses dehnbar bleiben. Dies hat dahingehend Einfluss auf die Einstellung der Backprozessparameter, dass der Zeitabschnitt Dampfgabe und gegebenenfalls auch die darauf folgenden Zeitabschnitte für Weizen- und Roggengebäcke qualitativ und quantitativ unterschiedlich sind.

1
Temperaturmessstelle für Feuchttemperatur
1.1
Thermoelement/Pt-Element
1.2
saugfähige Hülle
1.3
Versorgungsleitung
1.4
Leitungselement
1.5
offene Mündung
1.6
Überlaufrohr
2
Bypass
3
Backofen
4
Backkammer
5
Ventilator
6
Beschwadungseinrichtung Backkammer
7
Befeuchtungseinrichtung Messstelle
8
Wasserreservoire für Befeuchtungseinrichtung
9
Temperaturmessstelle für Trockentemperatur in der Messeinheit
10
Temperaturmessstelle für Trockentemperatur in der Backkammer
13
Temperaturen
13.1
Temperatur ttr des trockenen Thermometers/Trockenkugeltemperatur
13.2
Temperatur tf des feuchten Thermometers/Feuchtkugeltemperatur
13.3
Temperatur tKU der Krume
13.4
Temperatur tKS der Kruste
13.5
Taupunkttemperatur ttau


Anspruch[de]
Vorrichtung zur Steuerung von Backparametern, insbesondere zur Backluftfeuchteerfassung und -regelung, umfassend eine Regel- und Steuereinheit sowie eine in einem Bypass (2) außerhalb der Backkammer (4) angeordnete, von der Backraumluft anströmbare Messstelle zum indirekten Erfassen der Feuchtekenngrößen der Backraumluft, wobei die Temperaturmessstelle (1) mittels einer Befeuchtungseinrichtung (7) die Feuchtkugeltemperatur tf erfassend ausgebildet ist und die Regel- und Steuereinheit des Backofens (3) dazu ausgelegt ist, die von der Temperaturmessstelle (1) erfasste Feuchtkugeltemperatur tf mit einer Feuchtkugeltemperatursollgröße tf,Soll vergleichen zu können und in Abhängigkeit der Regelabweichung ein Ausgangssignal zu erzeugen. Vorrichtung zur Steuerung von Backparametern, insbesondere zur Backluftfeuchteerfassung und -regelung, umfassend eine Regel- und Steuereinheit sowie mehrere Messstellen zum indirekten Erfassen der Feuchtekenngrößen der Backraumluft, wobei eine Temperaturmessstelle (1) in einem Bypass (2) außerhalb der Backkammer (4) angeordnet ist und eine weitere Temperaturmessstelle (10, 9) in der Backkammer (4) oder im Bypass (2) vorgesehen ist, wobei die Temperaturmessstelle (1) mittels einer Befeuchtungseinrichtung (7) die Feuchtkugeltemperatur tf und die weitere Temperaturmessstelle (9 oder 10) die Trockenkugeltemperatur ttr erfassend ausgebildet ist und die Steuer- und Regeleinheit des Backofens (3) dazu ausgelegt ist, die von den beiden Temperaturmessstellen (1, 9 oder 10) erfasste Feuchtkugeltemperatur tf und Trockenkugeltemperatur ttr in eine Feuchtekenngröße der Backraumluft umzuwerten. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessstelle (1) als kontinuierlich befeuchtetes Thermoelement (1.1) oder Pt-Element (1.1) ausgebildet ist, wobei das Thermoelement (1.1) von einer saugfähigen Hülle (1.2) umgeben ist, und die Dauerbefeuchtung der Hülle (1.2) des Thermoelements (1.1) mittels einer von einem Wasserreservoir (8) gespeisten Versorgungsleitung (1.3) realisiert wird. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauerbefeuchtung der Hülle (1.2) des Thermoelements (1.1) selbsttätig und ohne Hilfsenergie sichergestellt ist. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die saugfähige Hülle (1.2) aus einem Glasseidengewebe, einem Musselinbausch, einem Leinengewebe oder Kunstfasern besteht. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Ende der Versorgungsleitungsleitung (1.3) mit einem Wasserreservoir verbunden ist und dass ein im Bereich der Temperaturmessstelle (1) angeordnetes zweites Ende der Versorgungsleitung (1.3) mit einer offenen Mündung (1.5) ausgebildet ist, in welche die saugfähige Hülle (1.2) zumindestens teilweise eintaucht, wobei das Thermoelement (1.1) oder das Pt-Element (1.1) von der Backraumluft oberhalb der offenen Mündung (1.5) umströmbar angeordnet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitung (1.3) im Bereich der Temperaturmessstelle (1) ein vertikal angeordnetes Leitungselement (1.4) aufweist und das zweite Ende der Versorgungsleitung (1.3) zumindestens im Mündungsbereich von einem Überlaufrohr (1.6) umhüllt ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Bypass (2) ein Ventilator (5) vorgesehen ist, der die Backluft durch den Bypass (2) bewegt. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass technische Mittel zur tropfenweise getakteten Befeuchtung der Temperaturmessstelle (1) vorgesehen sind.






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