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Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Ofen mit Wasserstoffbeheizung. Insbesondere befasst sich die vorliegende Anmeldung mit Öfen für Bäckereien, Großbäckereien sowie Filialen von Bäckereien, d.h. Produktionsöfen, in denen große Mengen von Backgut gebacken werden können. Wichtige Arten solcher Produktionsöfen sind Stikkenöfen, in welche ein Wagen mit Backgut in einen Backraum geschoben werden kann, und dort gebacken werden kann, sowie Etagenöfen mit mehreren Backkammern.
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Aus dem Dokument
DE 20 2015 002 563 U1 ist ein Stikkenofen bekannt, in welchem ein Umluftstrom vorhgesehen ist, wobei der Umluftstrom durch einen Wärmetauscher erhitzt wird. In diesem Dokument ist offenbart, dass es zum Stand der Technik gehört, einen solchen direkt befeuerten Stikkenofen über einen Gas- oder Ölbrenner zu heizen. Heißes Rauchgas wird erzeugt, welches durch einen Rauchgaswärmetauscher zum Abgaskamin geleitet wird. Die im Ofen befindliche Luft wird mittels eines Umwälzers / Ventilators am Rauchgas-Wärmetauscher vorbei geführt und dabei erhitzt. Dabei wird die Wärme über die Austauschflächen des Wärmetauschers übertragen. Die Ofenluft kommt dabei nicht in direkten Kontakt zu dem Rauchgas. So können vorbestimmte Temperaturen im Backraum eingestellt werden.
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Ferner ist aus dem Dokument
DE 20 2017 101 687 U1 ein Etaqenofen bekannt. Aus diesem Dokument ist bekannt, dass Etagenöfen mehrere übereinanderliegende Backkammern aufweisen, welche jeweils in einem Gehäuse zwischen zwei Seitenwänden, einer Rückwand und einer Backkammertür begrenzt sind. Eine Backkammertür verschließt eine Öffnung zur Beschickung der jeweiligen Backkammer. Die jeweilige Backkammer wird sowohl von oben als auch von unten entweder direkt oder indirekt über Thermoöl als Wärmeträger beheizt.
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In Zeiten der sich immer weiter verteuernden fossilen Energie durch enorme Preissprünge bei Erdgas und Erdöl entwickeln sich Energiekosten für Bäckereien, Großbäckereien und deren Filialen zu einem immer größer werdenden Problem, da die Erzeugung von Wärme für die Öfen, insbesondere Stikkenöfen und Etagenöfen, zunehmend teurer wird. Eine Folge hiervon ist, dass Backwaren immer teurer werden.
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Zudem sind öl- oder gasbetriebene Öfen, insbesondere Stikkenöfen und Etagenöfen, zunehmend nicht mehr umweltfreundlich, da sie viel Kohlendioxid in die Atmosphäre freisetzen.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Heizkonzept für einen Ofen bereitzustellen, in welchem Wasserstoff zum Einsatz kommt. Wasserstoff gilt als grüner Energieträger, da keine Treibhausgase in die Atmosphäre ausgestoßen werden und da Wasserstoff lediglich Wasser als Verbrennungsprodukt nach sich zieht.
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Die Aufgabe wird gelöst von einem Ofen gemäß Anspruch 1 sowie einem System gemäß Anspruch 10 sowie einem System gemäß Anspruch 11. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein erfindungsgemäßer Ofen mit Ofengehäuse weist auf:
- Einen Backraum, in welchem Backgut einer Wärmebehandlung unterzogen werden kann;
- einen Wärmeerzeuger, welcher dazu angepasst ist, Wärme zu erzeugen;
- mindestens einen Wärmetauscher, in welchem Wärmeerzeuger erzeugte Wärme an ein Medium überträgt, welches den Backraum aufheizt; dieses Medium ist vorzugsweise Luft;
- einen Abgaskanal, welcher das Abgas aus dem Wärmetauscher aus dem Ofen leitet.
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Erfindungsgemäß ist der Wärmeerzeuger für die Zufuhr von einem wasserstoffhaltigen Gas angepasst, und ist ferner dazu angepasst, Wärme durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen.
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Durch die Verbrennung von Wasserstoff wird der Ofen rein durch nachhaltige Brennstoffe erhitzt, es bestehen wie bereits erwähnt keine Treibhausgase, insbesondere kein Kohlenstoffdioxid, welches bei der Verbrennung von fossilen Energieträgern, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, entsteht.
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Vorzugsweise ist der Wärmeerzeuger ein katalytischer Wasserstoffbrenner, bei welchem Wasserstoff und Sauerstoff katalytisch zu Wasser umgesetzt werden, ohne dass hier mit einer offenen Flamme verbrannt wird. Ein solcher Brenner ermöglicht eine sichere und effiziente Umsetzung von Wasserstoff mit Sauerstoff. Es ist aber auch möglich, dass Wasserstoff in einer Flamme in einem Brennraum entsprechend verbrannt wird, auch hier entsteht entsprechende Wärme. Vorzugsweise wird der Wärmetauscher innen vom Abgas des Wärmeerzeugers durchströmt und weist weiter vorzugsweise Lamellen und/oder Rippen auf, welche die Wärmeübertragung an das Abgas verbessern sollen. Die Lamellen und Rippen selbst werden vom Abgas des Wärmerzeugers umströmt, was wie gesagt der besseren Wärmeübertragung dient.
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Vorzugsweise ist der Wärmetauscher auf oder an dem Wärmeerzeuger angeordnet, und vorzugsweise umschließt der Wärmetauscher den Wärmeerzeuger voll. So wird sichergestellt, dass erzeugte Reaktionswärme durch die Verbrennung von Wasserstoff direkt an das Medium, welches den Backraum erhitzt, übertragen werden kann.
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Ferner kann so die durch die Umsetzung von Wasserstoff erzeugte Wärme effizient und sicher abgeführt werden.
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Vorzugsweise wird der Wärmetauscher außen von einem Medium, vorzugsweise Luft, umströmt, welches in den Backraum geleitet wird. Hierzu ist weiter vorzugsweise eine Gebläsevorrichtung vorgesehen.
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Weiter vorzugsweise ist diese Gebläsevorrichtung dazu angepasst, Medium zwischen dem Backraum und der äußeren Fläche des Wärmetauschers zu zirkulieren. Noch weiter vorzugsweise kann der Volumenstrom, welcher die Gebläsevorrichtung fördert, variiert werden, um auf verschiedene Temperaturen im Wärmetauscher reagieren zu können, damit Wärme effizient abgeführt werden kann.
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Vorzugsweise verläuft der Abgaskanal in dem Ofen so, dass er Wärme an ein weiteres Teil des Ofens überträgt, beispielsweise einen Schwadenapparat oder ein Heizregister. So kann durch die durch die Umsetzung von Wasserstoff erzeugte Wärme effizient an Teile des Ofens übertragen werden, welche einen hohen Wärmebedarf haben. So kann sich der Abgasstrom weiter abkühlen bevor er den Ofen verlässt, was die Energieeffizienz weiter verbessert.
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Vorzugsweise ist der Ofen als Stikkenofen oder Etagenofen ausgebildet. Solche Öfen haben wegen ihrer Größe einen hohen Energiebedarf, hier ist der Einsatz von Wasserstoff daher besonders effizient.
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Die molare Verbrennungsenthalpie von Wasserstoff beträgt 284,5 kJ/mol, die Verbrennungsenthalpie von Methan (Bestandteil von Erdgas) hingegen beträgt 802,8 kJ/mol. Wasserstoff hat daher im Vergleich zu Methan eine niedrige molekulare Verbrennungsenthalpie und damit eine niedrigere volumenbezogene Energiedichte. Aufgrund der geringen molaren Masse des Wasserstoffs ergibt sich jedoch eine vergleichsweise hohe massenbezogene Energiedichte, d.h. mehr als die doppelte massenbezogene Energiedichte von Erdgas. Aus diesem Grund können bei der Verbrennung von Wasserstoff hohe Verbrennungstemperaturen entstehen, welche beispielsweise über 2.000° C betragen können.
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Es kann beispielsweise mit einer Konzentration von unter 4,0 Vol.-% Wasserstoff in Luft (unter Normbedingungen) gearbeitet werden, dies ist ein Konzentrationsbereich außerhalb der unteren Explosionsgrenze. So kann die Temperatur gesenkt und die Sicherheit des Betriebs gewährleistet werden.
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Für die vorliegende Anwendung in einem Stikkenofen ist daher eine gute Wärmeabfuhr nötig, aus diesem Grund sind Wärmetauscher vorhanden, welche die erzeugte Wärme entsprechend schnell in den Backraum abführen können - denn Temperaturspitzen können zu Materialschädigung oder auch zur Schädigung des Brenners bzw. Katalysators (im Falle eines katalytischen Brenners) führen, was somit vermieden wird.
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Vorzugsweise sind der Wärmeerzeuger, der mindestens eine Wärmetauscher und der Abgaskanal innerhalb des Ofengehäuses vorgesehen sind. Somit werden Wärmeverluste minimiert, und ferner erlaubt dies eine kompakte Bauweise.
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Ein erfindungsgemäßes System umfasst einen erfindungsgemäßen Ofen sowie eine Wasserstofferzeugungsvorrichtung und eine Energieerzeugungsvorrichtung, welche Energie an die Wasserstofferzeugungsvorrichtung liefert. Die Wasserstofferzeugungsvorrichtung ist mit dem Wärmeerzeuger verbunden und liefert Wasserstoff an den Wärmeerzeuger. Die Wasserstofferzeugungsvorrichtung kann beispielsweise eine Elektrolysevorrichtung sein, und die Energieerzeugungsvorrichtung kann beispielsweise aus Solarpaneelen bestehen. So wird durch Solarenergie Strom erzeugt, welcher wiederum an die Elektrolysevorrichtung geliefert wird. In dieser entsteht Wasserstoff, welcher dann an den Wärmerzeuger des Ofens geliefert wird, und dort unter Freisetzung von Wärme verbrannt wird. Mit einem solchen System kann bei ausreichender Sonneneinstrahlung komplett autark gearbeitet werden, da Wasserstoff in-situ erzeugt wird, ohne dass hierzu externe Energie aufgewendet werden muss. Ein solches System ist komplett emissionsneutral, da weder für die Stromerzeugung noch für die Wärmeerzeugung fossile Brennstoffe benötigt werden.
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Ein weiteres erfindungsgemäßes System besteht aus dem Ofen wie oben beschrieben, sowie mindestens einer weiteren Gar- oder Gärvorrichtung. Das den Abgaskanal verlassende Abgas wird in die weitere Gar- oder Gärvorrichtung geleitet. Die mindestens eine weitere Gar- oder Gärvorrichtung ist vorzugsweise ein Gärraum für Backwaren, ein Infrarotofen und/oder ein Etagenofen. So kann sichergestellt werden, dass durch die Wärme aus der Wasserstoffverbrennung weitere Geräte betrieben werden können, der Wärmestrom, welcher den Ofen verlässt (welcher eine hohe Wärmeenergie aufweist - da durch Wasserstoffverbrennung extrem hohe Temperaturen entstehen) kann so effizient genutzt werden. Durch die Verbindung des Ofens mit einem weiteren Gargerät kann somit die hohe Wärmemenge, welche erzeugt wird, auch für andere Anwendungen benutzt werden. Zudem kann bei der Verwendung des Abgases in einem Gärraum darauf verzichtet werden, das im Abgasstrom enthaltene Wasser auszukondensieren - da in einem Gärraum feuchte Luft erwünscht bzw. sogar benötigt wird.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die beiliegenden Figuren näher beschrieben.
- 1 zeigt eine isometrische Ansicht eines erfindungsgemäßen Ofens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt eine Ansicht von vorne auf eine erfindungsgemäße erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie in 1 dargestellt ist.
- 3 zeigt die Strömungsführung des Mediums, welches den Backraum aufheizt.
- 4 zeigt eine isometrische Ansicht eines Ofens gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 5 zeigt schematisch einen Wärmerzeuger 3 sowie einen Wärmetauscher 4 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 6 zeigt schematisch einen Wärmeerzeuger sowie einen Wärmetauscher 4 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 7 zeigt ein System aus einem erfindungsgemäßem Ofen und einer Gar- oder Gärvorrichtung.
- 8 zeigt ein System aus einem erfindungsgemäßen Ofen, einer Wasserstofferzeugungsvorrichtung und einer Energieerzeugungsvorrichtung.
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In 1 ist ein Ofen 1 zu sehen, welcher ein Ofengehäuse G aufweist. Der Ofen weist einen Backraum 2 auf, in welchen ein Stikkenwagen eingeschoben werden kann, welcher mit Backgut beladen ist. Der Ofen 1 weist einen Wärmeerzeuger 3 auf, in diesem Fall einen Wasserstoffbrenner. Dieser ist direkt mit einem Wärmetauscher 4 verbunden, durch welchen das Verbrennungsabgas strömt, bevor es in einen Abgaskanal 5 und schlussendlich zu einem Abgasstutzen 5a geleitet wird, durch welchen es den Ofen verlassen kann. Ferner ist eine Gebläsevorrichtung 6 vorgesehen, welche dazu angepasst ist, Luft aus dem Backraum zum Wärmetauscher 4 zu zirkulieren, diesen von außen anzuströmen, und dann wieder in den Backraum 2 zu leiten. Der Wärmetauscher 4 ist ferner von einer Begrenzung 7 umschlossen, welche die Strömung des Mediums aus dem Backraum 2 begrenzen soll, damit das Medium nicht aus dem Gehäuse G austritt.
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2 zeigt mehrere Details der Strömungsführung, hier wird nochmals verdeutlicht, dass das den Wärmetauscher 4 verlassende Abgas durch einen Abgaskanal 5 und einen Abgasstutzen 5a aus dem Ofen geleitet wird. Auch wird hier die Begrenzung 7 nochmals genauer gezeigt, welche den Wärmetauscher 4 bzw. den Raum, in welchem dieser angeordnet ist, begrenzt. Der Wärmeerzeuger 3 ist direkt an der Begrenzung 7 vorgesehen.
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3 zeigt die Strömungsführung des Mediums in einer Schnittdarstellung, wobei das Medium den Backraum 2 des Ofens 1 aufheizt. Das Medium, in diesem Beispiel Luft, wird von der Gebläsevorrichtung 6 aus dem Backraum 2 gesaugt und zum Wärmetauscher 4 geleitet, welcher von diesem angeströmt wird. Dort erfolgt eine Aufheizung. Der Wärmetauscher 4 ist mit dem Wärmeerzeuger 3 verbunden. Die Luft wird dann wieder in den Backraum 2 geleitet (durch Pfeile angedeutet).
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4 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, diese ist grundsätzlich ähnlich zur ersten Ausführungsform der 1. Der Unterschied ist, dass hier zwei Wärmetauscher 4 sowie 4a vorgesehen sind, welche beide innerhalb der Begrenzung 7 vorgesehen sind und daher mit Medium, welches in den Backraum 2 geleitet wird, umströmt werden. Die Anordnung von zwei Wärmetauschern 4 bzw. 4a dient der besseren Wärmeübertragungseffizienz sowie einer kompakten Bauweise, da die Längsachse des Wärmetauschers 4a orthogonal zur Längsachse des Wärmetauschers 4 ist.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung - hier sind nur der Wärmeerzeuger 3 sowie der Wärmetauscher 4 dargestellt. Der Wärmeerzeuger 3 ist hier ein katalytischer Wasserstoffbrenner, in den ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff (ggf. mit weiteren Inertgasen verdünnt) zugeführt wird. Als Abgas wird hauptsächlich Wasser (in gasförmiger Form) sowie nicht-reagierter Wasserstoff und Sauerstoff ausgeleitet. Der Wärmeerzeuger 3 ist direkt umschlossen von einem Heizband 8, welches den im Wärmeerzeuger 3 enthaltenden Katalysator aufheizen soll, um der Reaktion die nötige Aktivierungsenergie zuzuführen. Schlussendlich kann der Katalysator im Wärmeerzeuger 3 aber durch die Reaktion selbst beheizt werden, das Heizband 8 kann also bei Erreichen einer bestimmten Temperatur ausgeschaltet werden. Der Wärmeerzeuger 3 ist direkt von einem Wärmetauscher 4 umschlossen, das bedeutet an der äußeren Mantelfläche des Wärmeerzeugers 3 liegt direkt der Wärmetauscher 4 an. Dieser wird von Medium durchströmt, welches vom Backraum 2 (hier nicht dargestellt) kommt und auch wieder in diesen zurückgeführt wird.
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Eine solche Anordnung ermöglicht es, dass die im Wärmeerzeuger 3 erzeugte Wärme direkt und ohne weitere Verluste an das Medium, welches aus dem Backraum 2 (hier nicht dargestellt) einströmt und in diesen wieder zurückströmt, abgegeben werden kann. In einer solchen Anordnung von Wärmeerzeuger 3 und Wärmetauscher 4 entstehen nur minimale Wärmeverluste.
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6 zeigt eine Querschnittsansicht einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, hier sind wiederum lediglich der Wärmeerzeuger 3 und der Wärmetauscher 4 im Detail dargestellt. Der Wärmeerzeuger 3 besteht hier aus mehreren Rohren, welche mit einem Katalysatormaterial gefüllt sind. Diese sind im Wärmetauscher 4 selbst enthalten. Die Rohre werden direkt vom Medium, das aus dem Backraum 2 (hier nicht gezeigt) kommt, umströmt, und das Medium wird dann wieder zurück in den Backraum 2 (hier nicht gezeigt) geleitet. Eine solche Rohrbündel-Ausführungsform ermöglicht es, dass Wärme besonders effizient an das Medium, welches vom Backraum 2 (hier nicht gezeigt) kommt und wieder zurück in den Backraum 2 (hier nicht gezeigt) gefördert wird, abgegeben werden kann. So werden lokale Temperaturspitzen innerhalb des Wärmeerzeugers 3 vermieden. So können lokale Überhitzungen vermieden werden, dies dient der höheren Sicherheit und führt zu weniger Schäden an Bauteilen durch thermischen Einfluss etc.
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7 zeigt ein System aus einem erfindungsgemäßem Ofen 1 und einer Gar- oder Gärvorrichtung V. Diese Gar- oder Gärvorrichtung V ist hier beispielsweise ein Gärraum, in welchen warmes, wasserhaltiges Abgas des Ofens 1 eingeleitet wird, welches den Ofen 1 durch den Abgasstutzen 5a verlässt.
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8 zeigt ein System aus einem erfindungsgemäßen Ofen 1, einer Wasserstofferzeugungsvorrichtung W und einer Energieerzeugungsvorrichtung E. Wasserstoff für den Betrieb des Wärmeerzeugers 3 (hier nicht gezeigt) des Ofens 1 wird in der Wasserstofferzeugungsvorrichtung W erzeugt. Diese ist in diesem Beispiel eine Elektrolysevorrichtung. Die hierfür benötigte Energie in Form von elektrischem Strom wird von der Energieerzeugungsvorrichtung E erzeugt, diese besteht in diesem Beispiel aus Solarpaneelen.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Es ist nicht zwingend nötig, einen katalytischen Wasserstoffbrenner zu verwenden, es können auch Brenner verwendet werden, bei welchen der Wasserstoff mit einer Flamme verbrennt.
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Weiterhin sind geometrisch alle möglichen Anordnungen von Wärmeerzeuger 3 und Wärmetauscher 4 möglich - es ist lediglich wichtig, dass die Wärme effizient übertragen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ofen
- 2
- Backraum
- 3
- Wärmeerzeuger
- 4
- Wärmetauscher
- 4a
- Wärmetauscher
- 5
- Abgaskanal
- 5a
- Abgasstutzen
- 6
- Gebläsevorrichtung
- 7
- Begrenzung
- 8
- Heizband
- G
- Ofengehäuse
- E
- Energieerzeugungsvorrichtung
- W
- Wasserstofferzeugungsvorrichtung
- V
- Gar- oder Gärvorrichtung
