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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gargerätes sowie ein Gargerät selbst.
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Gargeräte für Großküchen haben einen Dampfgenerator, dessen erzeugter Dampf in den Garraum geleitet wird, sowie eine Heizung zum Aufheizen des Garraums auf eine gewünschte Temperatur. Diese Heizung ist üblicherweise, was jedoch nicht zwingend der Fall sein muss, von der Heizung des Dampfgenerators getrennt. Die Heizung zum Aufheizen des Garraums ist gas- oder elektrisch betrieben, ebenso wie der Dampfgenerator. Solche Dampfgeneratoren sind häufig außerhalb des Garraums angeordnet, und der in ihnen erzeugte Dampf wird über eine Leitung in den Garraum geführt. Darüber hinaus gibt es sogenannte Einspritzgeräte, bei denen Wasser auf aufgeheizte Einbauten im Garraum gespritzt wird, und Dampfgeneratoren mit einem Wasserreservoir im Garraum, das erhitzt wird. Alle diese Optionen für die Erzeugung von Dampf innerhalb oder außerhalb des Garraum werden im Folgenden unter dem Begriff Dampfgenerator zusammengefasst.
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Die Qualität des gegarten Produkts hängt u. a. von der Reproduzierbarkeit des Garvorgangs ab. Auf dem Markt erfolgreiche Gargeräte zeichnen sich durch eine in sehr engen Grenzen erzielbare Reproduzierbarkeit von Garprozessen aus. Ein Problem im Zusammenhang mit der Reproduzierbarkeit besteht darin, dass der Siedepunkt des Wassers vom Luftdruck abhängig ist. Der Luftdruck schwankt einerseits innerhalb eines Tages oder innerhalb mehrerer Tage, er ist darüber hinaus auch von der geodätischen Höhe des Aufstellungsorts des Gargeräts abhängig.
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Wenn die Siedetemperatur bekannt ist, lässt sich die erzeugte Dampfmenge wesentlich exakter steuern oder regeln.
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Auch bei einer Gasheizung ist die Kenntnis des Umgebungsdrucks wichtig, denn die Brennerleistung ist vom Luftdruck abhängig. Das der Flamme zugeführte Luftvolumen wird über ein Gebläse gesteuert, wobei die Masse des Volumenstroms vom Luftdruck abhängig ist. Die Brennerleistung kann somit mit Wissen um den Umgebungsdruck sehr genau eingestellt werden. Zur Ermittlung des tatsächlichen Umgebungsdrucks und zum Kalibrieren des Gargeräts auf den Aufstellungsort und dessen geodätische Höhe ist es bekannt, das Wasser für die Kalibrierung aufzuheizen und den Wassertemperaturverlauf dabei zu überwachen. Sobald die Temperatur trotz weiterer Energiezufuhr nicht zunimmt, ist die tatsächliche Siedetemperatur erreicht.
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Weitere Möglichkeiten zur Bestimmung der Siedetemperatur sind in der
DE 10 2004 020 365 B3 der Anmelderin beschrieben.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Gargeräts sowie ein Gargerät anzugeben, das ebenfalls auf sehr einfache und kostengünstige Weise auf den tatsächlichen Umgebungsdruck kalibriert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Gargeräts mit folgenden Schritten gelöst:
- – Ermittlung des Sauerstoffpartialdrucks über eine Lambdasonde,
- – Bestimmung des tatsächlichen Umgebungsdrucks auf Basis des ermittelten Sauerstoffpartialdrucks und
- – Kalibrieren des Gargeräts auf Basis des tatsächlichen Umgebungsdrucks.
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Lambdasonden werden bislang bei Gargeräten ausschließlich zur Bestimmung des Feuchtegehalts eingesetzt. Die Erfindung sieht jedoch vor, diese sehr kostengünstig zu erwerbenden und äußerst zuverlässigen Sonden zur Bestimmung des Umgebungsdrucks der Luft zu verwenden. Lambdasonden, die üblicherweise zur Ermittlung des Sauerstoffgehalts verwendet werden, ermitteln den Unterschied von Sauerstoffpartialdrücken zweier verschiedener Gase, nämlich einem Referenzgas und dem zu messenden Gas. Der Sauerstoffpartialdruck ist vom tatsächlich herrschenden Umgebungsdruck (Gesamtdruck) abhängig.
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Der Sauerstoffpartialdruck ist direkt proportional zum Umgebungsdruck. Es gilt die Formel: pO2:pGesamt = nO2:nGesamt, wobei
- pO2
- der Sauerstoffpartialdruck, der von der Lambdasonde gemessen wird,
- pGesamt
- der gerade herrschende Umgebungsdruck der Luft,
- nO2
- der Sauerstoffvolumenanteil in %, der bei trockener Luft 20,95% beträgt, und
- nGesamt
- das Gesamtvolumen in %, nämlich 100% ist.
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An der obigen Formel lässt sich erkennen, dass, wenn die Lambdasonde den Sauerstoffanteil misst, entweder über einen Berechnungsschritt oder über eine hinterlegte Tabelle der Umgebungsdruck einfach ermittelt werden kann. Damit kann auf eine separate Umgebungsdruckmessung verzichtet werden. Auch eine Ermittlung der Siedetemperatur über eine Messung der Energiezufuhr in Relation zur Wassertemperatur im Dampfgenerator ist unnötig, wodurch der dafür nötige Energieverbrauch entfällt.
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Die Kalibrierung kann beim ersten Aufstellen des Gargeräts am Einsatzort erfolgen oder ein- oder mehrmals täglich, um auch die Druckschwankungen in der Umgebung von Tag zu Tag oder innerhalb eines Tages zu berücksichtigen.
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Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird über den tatsächlichen Umgebungsdruck die bei diesem Druck vorhandene Wasser-Siedetemperatur bestimmt.
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In Abhängigkeit vom tatsächlichen Umgebungsdruck wird die Dampfmenge im Garraum gesteuert oder sogar geregelt, z. B. durch entsprechende Ansteuerung des Dampfgenerators, der dann eine genau vorbestimmte Dampfmenge produziert.
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Dies kann z. B. durch Steuerung oder Regelung der Energiezufuhr zum außerhalb oder innerhalb des Garraums befindlichen Dampfgenerator erfolgen. Bei einem Einspritzgerät wird in Abhängigkeit vom tatsächlichen Umgebungsdruck durch Steuerung oder Regelung der Menge des in den Garraum eingespritzten Wassers und/oder der Wärme des beheizten Teiles, auf das das Wasser gespritzt wird, die Dampfmenge im Garraum gesteuert oder geregelt. Zusätzlich oder alternativ hierzu können in Abhängigkeit vom tatsächlichen Umgebungsdruck die Heizleistung zum Heizen des Garraums und/oder zum Aufladen eines Wärmespeichers gesteuert, insbesondere geregelt werden.
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Bezüglich der Heizleistung, die zum Aufheizen des Garraums aufgewendet wird, besteht eine Möglichkeit der einfachen Regelung darin, die Förderleistung eines Luftzuführgebläses zu einem Gasbrenner in Abhängigkeit vom tatsächlichen Umgebungsdruck zu regeln. Zusätzlich oder alternativ hierzu könnte natürlich auch die zugeführte Gasmenge geregelt werden, beispielsweise über ein Ventil. Bei einer elektrischen Heizung wird die elektrische Energiezufuhr geregelt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn zusätzlich der Wasserdampfanteil im Garraum oder in der Dampfzuführung ermittelt wird.
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Der ermittelte Wasserdampfanteil im Garraum wiederum dient dazu, die zugeführte Dampfmenge zu regeln.
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Darüber hinaus oder alternativ hierzu kann der ermittelte Wasserdampfanteil zu einem weiteren Zweck verwendet werden. Der Umgebungsdruck kann nämlich auch zusätzlich unter Berücksichtigung des Wasserdampfanteils bestimmt werden. Ist die Luft feucht, bildet der Druck des Wasserdampfs (Wasserdampfpartialdruck) einen Teil des Gesamtdrucks, weshalb der Sauerstoffpartialdruck mit zunehmender Luftfeuchtigkeit abnimmt. Somit kann der Umgebungsdruck noch genauer bestimmt werden, wenn der Wasserdampfanteil berücksichtigt wird.
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Die Umgebungsdruckbestimmung und Kalibrierung des Gargerätes können vor einem Garprozess erfolgen und/oder auch während des Garprozesses.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Gargerät, mit einem Dampfgenerator, einer Heizung zum Aufheizen des Garraums und wenigstens einer Regeleinrichtung für den Dampfgenerator und die Heizung sowie wenigstens einer mit der Regeleinrichtung gekoppelten Lambdasonde zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks. Die Regeleinrichtung ist so ausgeführt, dass sie über den Sauerstoffpartialdruck den tatsächlichen Umgebungsdruck der Luft ermittelt und in Abhängigkeit von dem Umgebungsdruck den Dampfgenerator und/oder die Heizung regelt.
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Der Dampfgenerator kann gemäß der bevorzugten Ausführungsform mit einer elektrischen Heizung versehen sein, die mit der Regeleinrichtung funktional gekoppelt ist. Alternativ hierzu kann der Dampfgenerator natürlich auch über eine Gasheizung betrieben werden.
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Wenn eine Gasheizung zum Aufheizen des Garraums verwendet wird, kann eine Luftmengensteuereinheit zur Zufuhr von Luft zum Brenner und/oder ein Ventil zur Zufuhr von Gas mit der Regeleinrichtung funktional gekoppelt sein. Die Regeleinrichtung bestimmt die zugeführte Luftmenge und/oder die Gasmenge in Abhängigkeit vom tatsächlichen Umgebungsdruck und gegebenenfalls auch in Abhängigkeit von der ermittelten Luftfeuchtigkeit.
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Als Lambdasonden sind hier insbesondere ZrO2-Sonden eingesetzt.
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Die Lambdasonde ist bezogen auf den Garraum z. B. hinter einem Lüfterrad in einem sogenannten Gebläseraum untergebracht.
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Darüber hinaus kann die Lambdasonde auch in einem Zuführkanal untergebracht sein. Dieser Zuführkanal ist beispielsweise ein gemeinsamer Kanal zur Zufuhr von Verbrennungsluft für den Brenner oder zur Belüftung des Garraums, wobei über eine Klappe eine Aufteilung des Luftstroms oder eine Steuerung der Luftstrommenge möglich ist.
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Durch die Erfindung kann der Aufwand für die Kalibrierung des Gargerätes reduziert werden. Gerade wenn eine Luftfeuchtemessung ohnehin vorgesehen ist, können über die aus der Lambdasonde gewonnenen Daten auch noch zu anderen Zwecken verwendet werden. Darüber hinaus ist die Kalibrierung sehr schnell, da die Reaktionszeit der Lambdasonden entsprechend kurz ist, gerade verglichen mit den bisherigen Verfahren zum Bestimmen des Wasser-Siedepunkts über das Aufheizen des Wassers bis zur Siedetemperatur.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus der nachfolgenden Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. 1 ist eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Gargerätes, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet.
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In 1 ist ein Gargerät schematisch dargestellt, das mehrere Einheiten umfasst, unter anderem einen Dampfgenerator 10, einen Garraum 12 und eine Heizung 14 zum Aufheizen des Garraums 12 sowie wenigstens eine Regeleinrichtung 16.
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Das dargestellte Gargerät ist gasbetrieben und erlaubt ein Garen des Lebensmittels mit Heißluft und/oder Dampf.
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Die gasbetriebene Heizung 14 umfasst einen Gasbrenner 18, in dem ein Luft-Gas-Gemisch verbrannt wird. Die Brennstoffquelle 20 ist vorzugsweise außerhalb des Gargeräts vorgesehen und kann die Gasversorgungsleitung des Gebäudes, in dem das Gargerät aufgestellt ist, sein. In einer Gasleitung 22 ist innerhalb des Gargeräts ein Ventil 24 angeordnet, welches über die Regeleinrichtung 16 die dem Brenner 18 zuströmende Gasmenge steuert, insbesondere regelt. Die Luftzufuhr erfolgt vorzugsweise über ein Gebläse 23, welches ebenfalls über die Regeleinrichtung 16 gesteuert, insbesondere geregelt wird.
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In einer Verbindungsleitung 26 für die Luftzufuhr sitzt ein Druckmesssensor 28 dessen Daten der Regeleinrichtung 16 zugeführt werden. Im oder unmittelbar vor dem Brenner 18 werden Luft und Brennstoff in einer Brennstoffdüse 32 zusammengeführt.
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Eine optional vorgesehene Wärmezufuhrleitung 34 führt dem Garraum 12 vom Brenner 18 bereitgestellte Wärme zu. Diese Wärmezufuhrleitung 34 kann jedoch auch weggelassen werden, was den gerätetechnischen Aufwand reduziert. Aus diesem Grund ist die Leitung 34 mit einer unterbrochenen Linie dargestellt. Ohne Wärmezufuhrleitung 34 wird die Wärme angrenzend an den Garraum 12 (unter Zwischenschaltung eines Wärmetauschers) oder direkt im Garraum 12 erzeugt. Im letzteren Fall lassen sich die Verbrennungsabgase direkt nutzen, so dass ein Wärmetauscher überflüssig ist.
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Die Heizleistung wird über die Regeleinrichtung 16 eingestellt, indem die Regeleinrichtung einerseits die Luftzufuhr über die Drehzahl des Gebläses 23 und/oder eventuell Ventile und andererseits die Gaszufuhr über das Ventil 24 steuert. Für einen bestimmten Umgebungsdruck ist steuerungsseitig ein Gebläsedrehzahlspektrum hinterlegt, das nach Ermittlung des Umgebungsdrucks angefahren wird.
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Der Garraum 12 ist über ein sich in seinem Inneren befindliches Luftleitelement 36 in zwei Abschnitte geteilt, nämlich den Garinnenraum 38 und einen sogenannten Gebläseraum 40, in welchem ein über einen Motor 42 angetriebenes Gebläserad 44 angeordnet ist.
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Die Wärmezufuhrleitung 34 (falls vorhanden) endet am oder geht im Bereich des Gebläserades 44 in einen Wärmetauscher 46 über, der zum Aufheizen des Garraums 12 dient. Die über den Wärmetauscher 46 abgegebene Wärme kann über die Drehzahl des Motors 42 zusätzlich variiert werden, was durch die Regeleinrichtung 16 steuerbar ist.
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Im Garraum 12, beispielsweise im Ansaugbereich des Gebläserads 44, sind eine Lambdasonde 48 sowie ein Temperatursensor 50 angeordnet, die der Regeleinrichtung 16 Daten liefern.
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Der in den Garraum 12 über eine Leitung 52 zugeführte Dampf wird in einem Dampfgenerator 10 erzeugt, in dessen Innerem eine elektrische oder eine Gasheizung 54 zum Sieden von Wasser 56 vorhanden ist. Ein Temperatursensor 58 ist über eine Leitung 60 ebenfalls mit der Regeleinrichtung 16 gekoppelt.
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Die Leistung der elektrischen oder Gasheizung 54 wird über die Regeleinrichtung 16 geregelt.
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Im Folgenden wird das Verfahren zum Betreiben des Gargerätes beschrieben.
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Bei der ersten Inbetriebnahme des Gargeräts an seinem Aufstellungsort wird es kalibriert, und zwar auf die geodätische Höhe des Aufstellungsorts. Diese Kalibrierung erfolgt vollautomatisch und optimiert die Heizleistungen sowohl der elektrischen oder Gasheizung 54 für den Dampfgenerator 10 als auch der Heizung 14 für den Garraum 12.
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Über die Lambdasonde 48 wird der Sauerstoffpartialdruck im Garraum 12 ermittelt. Unter der Voraussetzung, dass die Luft trocken ist, ist der Sauerstoffanteil der Luft unabhängig von der geodätischen Höhe konstant. Damit ist auch das Verhältnis des Sauerstoffpartialdrucks zum Umgebungsdruck konstant. Dieses Verhältnis ist bekannt, denn auf Meereshöhe und bei trockener Luft beträgt der Volumenanteil des Sauerstoffs in der Luft 20,95 Vol.-% bei einem mittleren Umgebungsdruck von 1.013 mbar. Über dieses bekannte Verhältnis lässt sich dann durch Messung des tatsächlichen gerade herrschenden Sauerstoffpartialdrucks der tatsächlich vorhandene Umgebungsdruck der Luft bestimmen. Wird nun über die Lambdasonde 48 beispielsweise ein Sauerstoffvolumenanteil von 19,8 Vol.-% gemessen, bestimmt die Regeleinrichtung 16 daraus einen Umgebungsdruck von 957 mbar. Damit lässt sich bei diesem Umgebungsdruck auch die entsprechende Wasser-Siedetemperatur in der Regeleinrichtung 16 bestimmen, die unter 100°C liegt.
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Das Gargerät kalibriert sich selbst auf diese neuen Werte und regelt auf Basis dieser Kalibrierung die Heizleistung der Heizung 54, die Leistung des Gebläses 23, die zugeführte Gasmenge über die Regelung des Ventils 24 und die Drehzahl des Motors 42, sodass im Garraum 12 eine entsprechende Temperatur herrscht und sich die gewünschte Dampfmenge befindet.
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Natürlich können die einzelnen Sensoren auch mit lokalen Steuerungen oder Regelungen versehen sein, die dann ihrerseits mit der Regeleinrichtung 16 gekoppelt sind. Funktional fällt dies jedoch mit einer zentralen Regeleinrichtung 16 zusammen, sodass unter den Begriff Regeleinrichtung” auch eine Ausführungsform mit mehreren Steuerungen/Regelungen fällt.
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Die Kalibrierung erfolgt vorzugsweise nicht nur beim Installieren des Gargerätes, sondern vor dem ersten Garvorgang an jedem Tag oder auch mehrmals am Tag, z. B. vor jedem Garvorgang.
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Eine genauere Kalibrierung kann erfolgen, wenn auch noch die relative Luftfeuchtigkeit mit in die Umgebungsdruckbestimmung eingeht. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Gargerät an Orten mit höherer Luftfeuchtigkeit oder an Orten aufgestellt wird, an denen über das Jahr oder während des Tages nicht vernachlässigbare Luftfeuchtigkeitsschwankungen vorkommen.
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In diesen Fällen wird auch die relative Luftfeuchtigkeit bestimmt. Dies muss durch einen eigenen Sensor erfolgen. In der Regeleinrichtung 16 sind zum Beispiel Tabellen zur Bestimmung des Sättigungsdampfdrucks des Wassers (ps) hinterlegt, der von der Lufttemperatur abhängt. Die Lufttemperatur wird z. B. über den Sensor 50 bestimmt, sodass über die Tabelle der Sättigungsdampfdruck ps ermittelt werden kann. Der Wasserdampfdruck ist dann bei dieser Temperatur nach der Formel PD = φ × ps bestimmbar, wobei φ die relative Luftfeuchtigkeit in Prozent und ps der Sättigungsdampfdruck des Wassers ist.
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Der Umgebungsdruck lässt sich dann aus der Summe einerseits des Wasserdampfpartialdrucks pD sowie andererseits des Sauerstoffpartialdrucks dividiert durch 0,2095 ermitteln.
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Da der Garprozess unter Umständen mehrere Stunden dauert und sich dabei u. U. die Luftfeuchtigkeit ebenfalls verändert, kann eine Zwischenkalibrierung auch während des Garprozesses vorgenommen werden.
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Um ein zweites Messsystem, das für die Feuchtemessung nötig wäre, zu vermeiden, wird die Kalibrierung vorzugsweise bei niedrigen Temperaturen durchgeführt, bei denen der Wasserdampfgehalt bzw. der Wasserdampfpartialdruck vernachlässigt werden kann, z. B. täglich in den Morgenstunden.
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Darüber hinaus wäre es auch denkbar, mehrere Lambdasonden vorzusehen, die an unterschiedlichen Stellen angeordnet sind, zum Beispiel wie gezeigt im Garraum 12 oder einem Luftzuführkanal oder am Dampfgenerator 10.
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Eine weitere alternative Ausführungsform sieht vor, direkt im Garraum 12 Dampf zu erzeugen.
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Hierzu kann z. B. der Dampfgenerator 10 im Garraum 12 untergebracht sein.
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Dabei kann ein Einspritzsystem verwendet werden, bei dem über eine Düse 62, die in den Garraum 12 führt, eine vorzugsweise über ein Ventil geregelte Menge Wasser auf eine beheizte Wand 64 oder beheizte Einbauten gespritzt wird. Auch die Temperatur der Wand 64 oder der Einbauten kann gesteuert werden, indem eine hierzu vorgesehene Heizeinrichtung von der Regeleinrichtung 16 angesteuert wird. Die Einbauten können Wärmespeicher 66 umfassen.
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In 1 sind mehrere optional vorgesehene Wärmespeicher 66 angedeutet. Generell ist zu betonen, dass Wärmespeicher bei Gargeräten elektrisch oder durch eine Verbrennung eines Brennstoffs beheizt werden. An den Wärmespeichern 66 wird üblicherweise Luft, Gas oder Dampf entlang geführt und erhitzt.
