DE3686526T2

DE3686526T2 - Verfahren und vorrichtung fuer wasserdampfregelung in konvektionsoefen.

Info

Publication number: DE3686526T2
Application number: DE8686900905T
Authority: DE
Inventors: P Smith
Original assignee: Patentsmith II Inc
Current assignee: Patentsmith II Inc
Priority date: 1985-01-08
Filing date: 1986-01-08
Publication date: 1993-01-21
Anticipated expiration: 2006-01-09
Also published as: EP0208769A4; ATE79998T1; AU5317386A; DE3686526D1; EP0208769A1; EP0208769B1; AU599894B2; JPS62501750A; JPH07114623B2; WO1986004206A1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Wasserdampfregelung in Konvektionsöfen. Im besonderen betrifft sie ein Verfahren, um den Wasserdampfgehalt von Umluft in einem Konvektionsofen für Nahrungsmittelprodukte zu regeln, die eine Anfangstemperatur besitzen, wobei die Nahrungsmittelprodukte einer Wärmebehandlung auf eine Endtemperatur unterzogen werden, und wobei sie im Zuge der Behandlung im Ofen auf einem Förderer bewegt werden, wobei das Verfahren folgende Schritte enthält: Regeln der Temperatur der Umluft, so daß diese auf oder über der gewünschten Endoberflächentemperatur für die Nahrungsmittelprodukte liegt; und Richten der Umluft zur Oberfläche eines Nahrungsmittelprodukts, wobei die Erfindung im besonderen weiters einen Konvektionsofen betrifft, um die Temperatur der Nahrungsmittelprodukte im Ofen von einer Anfangstemperatur auf eine gewünschte höhere Endtemperatur anzuheben, wobei der Ofen enthält:
(a) eine Fördereinrichtung, um die Nahrungsmittelprodukte im Ofen zu bewegen;
(b) eine Einrichtung, um Luft im Ofen in Umlauf zu bringen; und
(c) eine Einrichtung, um die Temperatur der Luft so zu regeln, daß sie auf oder über der gewünschten Endtemperatur der Nahrungsmittelprodukte liegt.
Konvektionsöfen gemäß dem Stand der Technik sind in US-A-4,492.839 und US-A-4,154.861 geoffenbart. Weiters ist aus US-A-3,424.231 eine Vorrichtung bekannt, um die Umgebung, die ein Nahrungsmittelprodukt umgibt, zu regeln.
Der Bedarf an einer Regelung des Feuchtigkeitsgehalts von Nahrungsmittelprodukten während des Kochens und Backens ist bekannt. Dieser Bedarf ist besonders dann wichtig, wenn die Nahrungsmittelprodukte bei hohen Temperaturen relativ rasch gebacken werden. Es kann zu einem zu schwachen Backen oder zu einem feuchten Nahrungsmittelprodukt kommen, wenn der Feuchtigkeitsgehalt der Nahrungsmittelprodukte während des Kochens oder Backens zu hoch bleibt. Im Gegensatz dazu können eine Blasenbildung, ein Schrumpfen oder eine zu starke Bräunung auftreten, wenn von der Oberfläche der Nahrungsmittelprodukte während des Backens zuviel Feuchtigkeit entfernt wird.
Obwohl früher Verfahren und Vorrichtungen entwickelt wurden, um die Feuchtigkeit von Nahrungsmittelprodukten in abgeschlossenen Systemen zu regeln, beruhten derartige Verfahren typisch auf der Erfahrung und dem Wissen von Bedienungspersonen, um die Temperatur und die Feuchtigkeit innerhalb gewünschter Grenzen zu regeln, die für bestimmte Nahrungsmittelprodukte großteils durch Versuche und Fehler bestimmt wurden.
Die Regelung des Feuchtigkeitsgehalts von Nahrungsmittelprodukten während des Backens ist auch bei den Konvektionsöfen mit Fördereinrichtungen schwieriger, die kommerziell verwendet werden. Bei derartigen Öfen ist es nicht nur wichtig, den Feuchtigkeitsgehalt so zu regeln, um gleichförmige und qualitativ hochwertige Nahrungsmittelprodukte zu erreichen, sondern auch diese Ergebnisse mit dem geringsten Energieverbrauch zu erreichen.
US-A-3,972.277 offenbart eine Auftauvorrichtung und ein Verfahren, das einen Wasserbehälter aufweist, der erwärmt werden kann, um Luft mit verschiedener Temperatur und Dampfgehalt zu erzeugen. Die Lufttemperatur übersteigt die Temperatur des Produkts, da ein Auftauvorgang stattfindet, sowie die Temperatur des Wassers im Behälter. Es sind Thermostate vorgesehen, um die Temperatur der Luft und des Wassers im Behälter zu regeln.
US-A-4,154.861 offenbart einen Mikrowellenofen, der Strahlen aufweist, um Heißluft über ein Produkt im Ofen streichen zu lassen, wobei diese Vorrichtung jedoch keinen Flüssigkeitsbehälter aufweist, um die Feuchtigkeit regeln zu können.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Regeln des Wasserdampfgehalts von Umluft in einem Konvektionsofen für Nahrungsmittelprodukte geliefert, die eine Anfangstemperatur besitzen, wobei diese Nahrungsmittelprodukte einer Wärmebehandlung auf eine Endtemperatur unterzogen werden, und wobei sie im Zuge der Behandlung auf einem Förderer durch den Ofen bewegt werden, wobei das Verfahren folgende Schritte enthält: Regeln der Temperatur der Umluft, so daß sie auf oder über der gewünschten Endoberflächentemperatur für die Nahrungsmittelprodukte liegt; und Richten der Umluft zur Oberfläche eines Nahrungsmittelprodukts, gekennzeichnet durch folgende Schritte: in Berührung bringen der Umluft mit der Oberfläche von Wasser in einem Wasserbehälter; Regeln der Temperatur des Wassers im Behälter, so daß sie auf einem Wert oberhalb der Anfangstemperatur der Nahrungsmittelprodukte und unterhalb der Temperatur der Luft liegt, um den Wasserdampfgehalt der Luft im wesentlichen gleich oder niedriger als bei jener Luft zu halten, die mit Wasserdampf gesättigt ist, so daß die von der Umluft mitgeführte Feuchtigkeit auf der Oberfläche eines Nahrungsmittelprodukts kondensiert, um eine rasche Anfangserwärmung zu liefern.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Konvektionsofen geliefert, um die Temperatur von Nahrungsmittelprodukten im Ofen von einer Anfangstemperatur auf eine gewünschte höhere Endtemperatur anzuheben, wobei der Ofen enthält:
(a) eine Fördereinrichtung, um die Nahrungsmittelprodukte durch den Ofen zu bewegen;
(b) eine Einrichtung, um Luft im Ofen in Umlauf zu bringen; und
(c) eine Einrichtung, um die Temperatur der Luft so zu regeln, daß sie auf oder über der gewünschten Endtemperatur der Nahrungsmittelprodukte liegt;
dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen weiters enthält:
(d) einen Wasserbehälter;
(e) eine Einrichtung, um die Temperatur von Wasser im Behälter zu regeln;
(f) eine Einrichtung, um der Reihe nach die temperaturgeregelte Luft mit dem Wasser und mit den Nahrungsmittelprodukten in Berührung zu bringen; und
(g) eine Einrichtung, um fortlaufend die Temperatur des Wassers im Behälter so zu regeln, daß sie auf einem Wert oberhalb der Anfangstemperatur der Nahrungsmittelprodukte sowie unterhalb der Temperatur der Luft liegt, um den Wasserdampfgehalt der Luft auf einem Wert zu halten, der im wesentlichen gleich oder niedriger als der Wert von Luft ist, die mit Wasserdampf gesättigt ist, so daß die von der Umluft mitgeführte Feuchtigkeit auf der Oberfläche eines Nahrungsmittelprodukts kondensiert, um eine rasche Anfangserwärmung zu liefern.
Diese und andere Vorteile und Verbesserungen des Verfahrens und der Vorrichtung, die hier geoffenbart werden, werden im Zusammenhang mit den oben erwähnten Patentschriften und der nachfolgenden Beschreibung sowie im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen zeigt:
Fig. 1 und 2 Diagramme des Wassergehalts von Luft bei verschiedenen Temperaturen;
Fig. 3 den vereinfachten Schrägriß eines Tunnelofens mit Fördereinrichtung, der eine Mikrowellen- und Oberflächen-Heizeinrichtung verwendet, um ein Produkt zu erwärmen, wenn dieses nacheinander durch eine Vielzahl von Abteilen bewegt wird;
Fig. 4 den Teilschrägriß des Innenraums einer Koch- oder Backkammer sowie einer Zwischenwand zwischen benachbarten Kammern;
Fig. 5 den Schnitt entlang der Achse 3-3 von Fig. 3;
Fig. 6 und 7 die Seitenansicht des Ofens, wobei Teile aufgebrochen sind, um Einzelheiten des Aufbaus deutlicher darzustellen;
Fig. 8 den Grundriß des Ofens, wobei Teile aufgebrochen sind, um Einzelheiten des Aufbaus deutlicher darzustellen;
Fig. 9 die vereinfachte Darstellung des Regelsystems;
Fig. 10 die teilweise geschnittene Vordersicht eines Zwangskonvektionsofens mit Fördereinrichtung, der eine Auftreffheizung verwendet, zusammen mit dem Wasser- oder Feuchtigkeitsregelbehälter gemäß der Erfindung; und
Fig. 11 und 12 experimentelle Daten, die den Vorteil beweisen, den man durch die Verwendung dieser Erfindung erhält.
Die Regelung des Wasserdampfgehalts von Luft in einem Konvektionsofen, sogar bei Temperaturen oberhalb des Siedepunkts von Wasser, ist oft sehr wichtig, um die gewünschte Wärmeübertragung und Oberflächeneffekte des Produkts zu erreichen. Der Wasserdampfgehalt von Luft im Ofen relativ zum Wassergehalt von gesättigter Luft (relative Feuchte) ist gleichfalls für eine Wärmeübertragung und für Oberflächeneffekte sehr wichtig. Es bestehen bemerkenswerte Unterschiede in den Ergebnissen zwischen einem geregelten Wasserdampfgehalt und einer sogenannten atmosphärischen Dampfung oder Heizung mit überhitztem Dampf.
Einige dieser Effekte zeigt ein fester Brotteig bei einer Temperatur von 36,7ºC (100ºF), der bei 176ºC (350ºF) in einen Ofen eintritt, in dem der Wasserdampfgehalt gleich wie bei Luft ist, die mit Wasserdampf bei 76,7ºC (170ºC) gesättigt ist. Wenn kalter Teig in den Ofen eintritt, kondensiert Wasserdampf auf der Oberfläche, wobei eine rasche gleichförmige Wärmeübertragung und Oberflächenbefeuchtung entstehen. Der Wert der Wärmeübertragung und der Befeuchtung hängt sehr stark vom Betrag des Wasserdampfs in der Luft sowie vom Temperaturbereich zwischen 36,7ºC (100ºF) und siedendem Wasser ab. Dieser Wassergehalt steigt stark an, wenn die Temperatur steigt. Fig. 1 und 2 zeigen den Wassergehalt von gesättigter Luft.
Bei Produkten, z.B. bei französischem Brot, unterstützt die Feuchtigkeitskondensation auf der Oberfläche die Ausbildung der glatten, glasierten Kruste. Wenn das Brot gebacken wird, wird die Oberfläche über den Siedepunkt von Wasser erhitzt, wobei das kondensierte Wasser verdampft wird. Bei einer weiteren Erwärmung wird die trockene Kruste gebildet, worauf schließlich eine ausreichende Erwärmung erfolgt, damit das Brot knusprig und braun wird.
Ein anderes Beispiel besteht im Erwärmen von gegrilltem Fisch oder dem Erwärmen von vorgefertigten Gerichten. Die rasche Anfangserwärmung von kondensiertem Wasserdampf ist von Vorteil, doch soll die Oberfläche des Produkts, wenn sie richtig erwärmt wird, feucht sein, jedoch weder naß noch trocken, d.h. nicht über den Siedepunkt von Wasser erhitzt. Wenn die Lufttemperatur oberhalb des Siedepunkts von Wasser liegt, werden Stellen des Nahrungsmittels oder dünne Bereiche über Blasen oder anderen Bereichen mit niedrigem Wärmeinhalt getrocknet. Eine extreme Trocknung erzeugt eingesunkene Oberflächen mit geringer Struktur oder andere unerwünschte Ergebnisse.
Zwei Vorrichtungen, die hier geoffenbart werden, zeigen diese Wirkungen vorteilhaft.
Nunmehr wird auf Fig. 3 der Zeichnungen Bezug genommen, in der mit der Bezugsziffer 20 allgemein ein Tunnelofen mit Fördereinrichtung bezeichnet ist, der einen Förderer 22 besitzt, der von einem Eintrittsende 24 zum Austrittsende 26 verläuft. Wie später noch ausführlich beschrieben wird, ist das Innere des Ofens mit einer länglichen Heizkammer 28 versehen, die durch Zwischenwände 29 unterteilt ist, um eine Vielzahl von Heizräumen 30a-30l zu bilden, wie dies am besten Fig. 6 und 7 zeigt.
Bei der bestimmten Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 3, 6 und 7 der Zeichnungen dargestellt ist, besitzt der Ofen einen modularen Aufbau, wobei er einen Einlaßbereich 32, zwei Zwischenbereiche 34 und 36 sowie einen Abgabe- oder Auslaßbereich 38 enthält.
Der Einlaßbereich 32 besitzt eine vertikale Schwenktür 33, die an einer Seitenwand des Ofens schwenkbar befestigt ist, um die Räume 30a, 30b und 30c abzuschließen. Vertikale Schwenktüren 35, 37 und 39 sind ähnlich angebracht, um die Räume 30d, 30e und 30f des Zwischenbereichs 34; die Räume 30g, 30h und 30i des Zwischenbereichs 36; sowie die Räume 30j, 30k und 30l des Auslaßbereichs 38 zu verschließen.
Horizontale Schwenktüren 32a und 32b sind an den gegenüberliegenden Enden des Einlaßbereichs 32 gelenkig befestigt, wobei sie die vertikale Schwenktür 33 verschließen. Horizontale Schwenktüren 34a verschließen die vertikale Schwenktür 35; horizontale Schwenktüren 36a und 36b verschließen die vertikale Schwenktür 37; und horizontale Schwenktüren 38a und 38b verschließen die vertikale Schwenktür 39.
Wie man am besten aus Fig. 5 bis 8 ersieht, verläuft eine Magnetronkammer 40 längs des gesamten oberen Teils des Ofens, wobei sie mit einem Zwangsumlauf von gefilterter Luft versehen ist, um eine Kühlung für den elektrischen Schaltkreis der Magnetrone zu liefern, die darin untergebracht sind. Die Magnetrone, die zur Abstrahlung von Mikrowellenenergie für die Erwärmung des Produkts dienen, sind so beabstandet, wie dies Fig. 8 zeigt, so daß zwei Magnetrone die Mikrowellenenergie in jeden Raum 30b- 30k liefern. Wie später noch ausführlich gezeigt wird, wird keine Mikrowellenenergie in den Einlaßraum 30a oder den Auslaßraum 30l geliefert.
Ein Paar von Magnetronen 45b und 45b' liefert Mikrowellenenergie in den Raum 30b, während Magnetrone 45c und 45c' die Mikrowellenenergie in den Raum 30c liefern.
Wie man am besten aus Fig. 4 und 5 erkennt, ist jeder Raum vom Nachbarraum durch eine Zwischenwand 29 getrennt, die einen Durchlaß 31 besitzt, der darin ausgebildet ist und durch den Behälter mit dem zu erhitzenden Produkt vom Förderer 22 geführt werden. Ein Trichter 31a verläuft um den Umfang der Öffnung 31, um den Austritt von Mikrowellenenergie aus einem Raum in den Nachbarraum zu minimieren. Die Breite der Öffnung 31 ist etwa gleich der Breite des Förderers 22, wobei der obere Teil der Öffnung 31 gekrümmt ist, damit sich die Nahrungsmittelprodukte hindurch bewegen können, während die Fläche der Öffnung minimiert wird.
Der Raum 30d wird zwischen Segmenten 51 und 52 eines Walmdachs oder einer oberen Wand 50 gebildet, das einen First 53 besitzt, der in Längsrichtung des Ofens verläuft und die obere Grenze der Heizkammer 28 bildet. Der Boden 60 der Heizkammer ist mit Löchern versehen, wobei Rohre 62, die eine Länge von zumindest etwa dem doppelten Rohrdurchmesser besitzen, in Verbindung mit den Löchern im Boden 60 stehen, um säulenartige Luftstrahlen zu bilden, die auf der Unterfläche des Behälters auftreffen, der das Produkt durch den Ofen führt, wie dies später ausführlich erläutert wird. Die Rückwand 65 des Förderers besitzt eine Vielzahl von Rohren 66, die hindurch verlaufen, um einen Luftstrom über die Oberfläche des Produkts P zu richten.
Das Dach 50 und die Bodenwand 60 werden an der Stirnwand des Ofens befestigt, in der Öffnungen ausgebildet sind, die mit den vertikalen Schwenktüren 33, 35, 37 und 39 verschlossen werden.
Wie später ausführlich gezeigt wird, ist ein Infrarotfühler 70 vorgesehen, der dazu dient, um Infrarotenergie aufzunehmen, die vom Produkt abgegeben wird, wobei er einen "Auslese"-Wert der Temperatur des Produkts liefert. Derartige Infrarotfühler sind im Handel von Mikron Instrument Company, Inc., Ridgewood, New Jersey oder von Wahl Instruments, Inc., Culver City, Kalifornien, erhältlich. Derartige Vorrichtungen sind ausführlich im Wahl Katalog Nr. W101D, verbesserte Ausgabe A sowie in Mikron M65 Infrared Temperature Measurement an Control Systems, Katalog 65, Ausgabe 0, beschrieben, wobei jeder dieser Kataloge hier in seiner Gesamtheit als Bezugsnachweis dient.
Wie am besten Fig. 8 zeigt, tasten Infrarotfühler 70c, 70e, 70g, 70i, 70j und 70k die Temperatur des Produkts in den Räumen 30c, 30e, 30g, 30i, 30j bzw. 30k ab. Der erste Heizraum 30a ist weder mit Magnetronen noch mit Infrarotfühlern versehen.
Magnetrone 45b und 45b' strahlen Mikrowellenenergie ab, um ein Produkt im Raum 30b zu erwärmen. Bei der bestimmten Ausführungsform der Erfindung, die hier beschrieben wird, ist jedoch im Raum 30b kein Infrarotfühler vorgesehen, da die meisten Produkte, die durch den Ofen geführt werden, zumindest eine gewisse Mikrowellenerwärmung benötigen. Der Infrarotfühler 70c ist im dritten Raum 30c vorgesehen, um die Temperatur des Produkts abzutasten und die Magnetrone 40c und 40c' abzuschalten, wenn die Oberflächentemperatur des Produkts einen vorgegebenen Wert erreicht. Der Infrarotfühler 70c steuert weiters die Magnetrone 45d und 45d' im Heizraum 30d. Wenn bei der beschriebenen Ausführungsform die Oberflächentemperatur des Produkts zu jenem Zeitpunkt nicht ausreichend hoch liegt, an dem das Produkt die Kammer 30c verläßt, wird das Produkt in der Kammer 30d erwärmt, wobei der Fühler 70e das Erwärmen des Produkts in der Kammer 30e beendet, wenn die Oberflächentemperatur des Produkts den vorgegebenen Wert erreicht hat. Der Auslaßraum 30l ist weder mit einer Mikrowellenheizung noch mit einem Infrarotfühler versehen. Die Räume 30i, 30j und 30k sind jedoch jeweils mit Infrarotfühlern versehen, um eine genaue Regelung der Endtemperatur des Produkts zu liefern, wenn dieses vom Förderer 22 durch die Heizkammer 28 bewegt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Arbeitsweise der Magnetrone 45 und der Infrarotfühler 70 durch die Verwendung eines Mikrorechners gesteuert, der mit einem oder mehreren Wärmebehandlungsintervallen programmiert ist, die bei verschiedenen Nahrungsmittelprodukten oder Kombinationen von Nahrungsmittelprodukten verwendet werden. Wenn es gewünscht ist, kann der Förderer 22 weiters rechnergesteuert sein, um seinen Betrieb mit dem Betrieb der Magnetrone 45 und der Fühler 70 zu koordinieren, um damit den Gesamtwirkungsgrad des Ofens 20 zu verbessern.
Der bestimmte Tunnelofen mit Fördereinrichtung, der hier beschrieben wurde, dient dazu, um 300 Gerichte pro Stunde zu erwärmen oder zu kochen, wobei er eine maximale Heizzeit von 2 Minuten für jedes Gericht liefert. Die Heizkammer ist in zehn Räume geteilt, die mit Magnetronen, die Mikrowellenenergie abstrahlen, versehen sind, wobei der Förderer 22 in einem getakteten Intervall angetrieben wird, um das Produkt in jedem Raum für ein Intervall von 12 Sekunden zu halten.
Wie am besten Fig. 5 bis 7 zeigt, verläuft eine Zwischenwand 75 vom Boden 60 der Heizkammer nach unten, wobei ihr unteres Ende von beabstandeten Halteelementen 76 über dem Boden 78 von Wassertrögen 80a und 80b gehalten wird, damit das Wasser seitlich durch die Tröge 80a und 80b unter der Zwischenwand 75 fließen kann.
Ein Heizelement 82 ist vorgesehen, um das Wasser im Trog 80 zu erwärmen, wobei eine Thermostatregelung 83 vorgesehen ist, um das Heizelement 82 so zu steuern, daß das Wasser im Trog 80 auf einer genau geregelten Temperatur gehalten wird. Die Zwischenwand 75 teilt den Raum unterhalb des Bodens 60 und oberhalb der Oberfläche des Wassers 81 im Trog 80 in einen Luftrückführkanal 84 und eine Luftkammer 85. Ein Heizelement 86 ist in der Luftkammer 85 angeordnet, wobei es dazu dient, um die durchströmende Luft zu erwärmen, wobei das Heizelement 86 mit einem Thermostat 87 gesteuert wird, um die Lufttemperatur in der Luftkammer auf einem vorgegebenen Wert zu halten.
Ein Paar von Wassersprühdüsen 100 und 101 sind neben gegenüberliegenden Ecken von jedem Raum 30 angeordnet, um Wasser durch den Raum zu sprühen, um diesen zu reinigen. Die Bodenwand 60 ist nach unten zum Luftrückführkanal 84 geneigt, wobei der Boden 60 Öffnungen besitzt, die im durchlöcherten Boden eines Trogs 102 ausgebildet sind, damit das von den Sprühdüsen 100 und 101 versprühte Wasser abfließen kann, um durch den Rückführkanal 84 zu den Trögen 80a und 80b zurückzukehren. Da der Pegel des Wassers im Trog über der Unterkante der Zwischenwand 75 liegt, können Fett und andere Stoffe, die auf der Wasseroberfläche schwimmen, nicht nach unten in die Luftkammer 85 gelangen. Da die Temperatur des Wassers im Trog 80 und die Temperatur der Luft in der Luftkammer auf geregelten Werten gehalten werden, wird die Feuchttemperatur der Luft in der Luftkammer 85, die in die Räume der Heizkammer strömt, genau geregelt.
Aus der obigen Beschreibung ist leicht ersichtlich, daß dann, wenn die Temperatur und die relative Feuchte der umgebenden Atmosphäre in den Räumen der Heizkammer auf einer vorgegebenen Feuchttemperatur gehalten werden, um sicherzustellen, daß die umgebende Atmosphäre im wesentlichen gesättigt ist, eine Verdampfung von Feuchtigkeit von der Oberfläche der Nahrungsmittelprodukts während des Heizintervalls minimiert wird. Es wurde beobachtet, daß die Verdampfung von Feuchtigkeit von der Oberfläche des Produkts zu einem Abkühlen der Oberfläche des Produkts sowie zu einer fehlerhaften Ablesung der Temperatur der Oberfläche des Produkts mit den Infrarotfühlern 70 führt. Da jedoch eine Verdampfung von der Oberfläche des Nahrungsmittelprodukts verhindert wird, können die Oberflächentemperatur des Produkts mit den Infrarotfühlern 70 genau festgestellt und die Temperatur genau geregelt werden.
Wenn sich ein kaltes Produkt in den Raum 30a bewegt, werden der Trog und das Produkt sofort von der warmen, feuchten Luft berührt, wobei dies zu einer Kondensation von Flüssigkeit auf der Oberfläche des Produkts führt. Die Wärme wird unmittelbar zur Oberfläche des Produkts als Ergebnis der latenten Wärme der Kondensation übertragen, wobei die auf der Oberfläche des Produkts kondensierte Feuchtigkeit ein Austrocknen des Produkts verhindert, wenn dieses durch die Heizkammer bewegt wird.
Das Produkt empfängt Mikrowellenenergie in der Kammer 30b, wobei der Trog vom Boden durch die säulenartigen Luftstrahlen erwärmt wird, die durch die Rohre 62 strömen und auf der unteren Fläche des Trogs auftreffen. Luftströmungen, die durch die Rohre 66 fließen, streichen über die obere Fläche des Produkts, wobei die Luftströmung über die Linse des Schaurohrs eines Infrarotfühlers 70 gerichtet wird, um zu verhindern, daß sich an der Linsenfläche ein Kondensat ausbildet, das zu einer fehlerhaften Temperaturablesung führen würde.
Wenn sich das Produkt durch die Heizkammer von einem Raum zum anderen bewegt, wird die Zufuhr von Mikrowellenenergie zum Produkt beendet, wenn die Oberfläche des Produkts eine vorgegebene Temperatur erreicht. Wenn sich das Produkt von einem Raum zum anderen bewegt, tastet jeder Infrarotfühler die Temperatur des Produkts ab. Wenn das Produkt nicht gleichmäßig erwärmt wurde, wird Wärme von der Oberfläche des Produkts zum Mittelteil des Produkts geleitet, wobei dies zu einem Abkühlen der Oberfläche des Produkts sowie dazu führt, daß die Magnetrone in den nachfolgenden Räumen erregt werden, wenn das Abkühlen der Oberfläche des Produkts von den Infrarotfühlern 70 angezeigt wird.
Obwohl die Heizkammer 28, die oben beschrieben wurde, in 10 getrennte Räume unterteilt wurde, um verschiedene Produkte der Reihe nach zu erwärmen, wie dies erforderlich ist, sei darauf hingewiesen, daß das gesamte Verfahren auch in einem einzigen Raum ausgeführt werden kann.
Der Enersyst PFF-2 Food Finisher von Fig. 3 bis 9 besitzt einen großen Wasserbehälter unterhalb des Förderers, der die vorgefertigten Gerichte durch einen Heiztunnel führt. Die Luft, die auf die Gerichte gerichtet wird, wenn diese den Tunnel durchlaufen, wird über den Wasserbehälter wieder in Umlauf gebracht. Im Betrieb liegt die Umlufttemperatur (Trockentemperatur) bei 82,2ºC (180ºF), um ein Erwärmen der Gerichte und der Platten zu unterstützen. Die Temperatur des Wassers im Behälter wird auf 62,8ºC (145ºF) gehalten. Im abgeschlossenen System würde die Umluft das Wasser auf nahezu 82,2ºC (180ºF) erwärmen, wobei dies zu nassen Nahrungsmitteln und nassen Platten führen würde. Die Temperatur des Wassers im Behälter wird mit einem elektrischen Heizelement geregelt, um es anfangs zu erwärmen, worauf mit einer Thermostatregelung Kaltwasser beigegeben wird, um den oberen Temperaturgrenzwert zu regeln. Eine alternative Steuerung besteht darin, kühle Umgebungsluft unmittelbar vor jenem Bereich einzuleiten, in dem die Luft über den Wasserbehälter streicht, um den Wasserdampfgehalt der Luft durch die Kombination einer Luftkühlung und Verdampfungskühlung zu regeln. Dieses Verfahren verbraucht Energie, da die äquivalente Luft und der Wasserdampf abgelassen werden müssen.
Eine andere Ausführungsform dieser Erfindung besteht in einem elektrisch geheizten Strahlauftreffofen, wie ihn Fig. 10 zeigt. In diesem Ofen besitzt ein temperaturgeregelter Wasserbehälter Luftstrahlen, die auf seine Oberfläche auftreffen, um eine sehr wirkungsvolle Wärmeübertragung und Wasserverdampfung zu erreichen.
Es ist wichtig, daß festgestellt wird, daß diese Kondensationswärmeübertragung und die nachfolgende geregelte Oberflächenkonditionierung durch das Aufbringen einer Luft/Feststoff-Zwischenfläche mit einem auftreffenden Strahl wesentlich verbessert wird. Zusätzlich zur bekannten beschleunigten Wärmeübertragung wird die Kondensationswärmeübertragung dadurch wesentlich gesteigert, daß die Luft, die nach der Kondensation des Wasserdampfes zurückbleibt, rasch von den Luftstrahlen weggespült wird, so daß frische, mit Feuchtigkeit geladene Luft die Oberfläche berührt. Wenn sich das Produkt dem Ende des Heizintervalls nähert, trocknen die Luftstrahlen dadurch, daß sie den Wasserdampf wegspülen, der in der Nähe der Produktoberfläche konzentriert ist. Die beschleunigte Luft/Feststoff-Wärmeübertragung der auftreffenden Strahlen erlaubt weiters die Verwendung von niedrigeren Lufttemperaturen, um die gewünschten endgültigen Oberflächeneffekte zu erreichen, z.B. eine teilweise Trocknung oder Bräunung, wobei diese niedrigeren Temperaturen eine wesentlich toleranteren Betrieb ermöglichen, um örtliche Übertrocknungen oder Überhitzungen zu vermeiden.
Fig. 10 zeigt die teilweise geschnittene Vordersicht eines Zwangskonvektionsofens mit Fördereinrichtung 200, der Düsenfinger 202 verwendet, um eine Auftreffheizung von Nahrungsmittelprodukten zu erreichen, die auf dem Förderer 204 angeordnet sind. Weiters ist in Fig. 10 ein Wasserbehälter 206 dargestellt, der unterhalb einer Luftkammer 208 liegt, um zu den Düsenfingern 202 im Ofen 200 erwärmte Luft in Umlauf zu bringen. Ein Gebläse 210 ist strichliert dargestellt, wobei es dazu verwendet wird, um Luft durch den Ofen 200 in Umlauf zu bringen. Elektrische Heizeinrichtungen 212 sowie eine externe Wasserzufuhr 214 sind in Fig. 10 gleichfalls dargestellt, wobei sie im Zusammenhang mit einer Steuereinrichtung 216 verwendet werden, um die Wassertemperatur im Wasserbehälter 206 zu regeln. Direktoren 218 sind vorgesehen, um die Luftströmung durch den Behälter 206 zu verstärken.
Im Ofen von Fig. 10 werden Luftstrahlen auf die Oberfläche des Wassers gerichtet, um eine beschleunigte Wasserdampfzugabe oder Entnahme durchzuführen, wie dies gewünscht wird, um den gewünschten Wasserdampfgehalt der Umluft beizubehalten.
In einem einzigen Umluftkreislauf, beispielsweise in einem endlos beschickten Ofen mit einem einzigen Heizbereich und einer Fördereinrichtung, kann feuchtigkeitsgeladene Luft von der Nähe des Austrittsendes 11 des Ofens wieder in Umlauf versetzt werden, um auf dem kühlen ankommenden Produkt aufzutreffen, um einige Kondensationsenergie abzuleiten, bevor diese Luft über den Wasserbehälter geführt wird.
Dieses "Regenerations"-Intervall, das den konzentrierten Wasserdampf vom trocknenden Produkt verwendet, um eine fühlbare Erwärmung und Dampfzugabe dem ankommenden Produkt zuzuführen, kann ein Hauptfaktor für Energieeinsparungen und den Produktionsertrag bei feuchten Produkten sein, die in einem derartigen Umluftheizsystem mit Endlosbeschickung gekühlt werden.
Dieser regenerierende Wasserdampfumlauf kann theoretisch die Notwendigkeit eines temperaturgeregelten Wasserbehälters beseitigen. Es müssen jedoch Ergebnisse oder Einrichtungen überlegt werden, um das Endlossystem zu starten und anzuhalten, ohne daß eine übermäßige Befeuchtung oder Trocknung entsteht.
Direkt beheizte Gasheizöfen sind in diesem geregelten Wasserdampfgehaltund Regenerationssystem nicht unbedingt als nachteilig ausgeschlossen. Es ist wichtig, daß die Abzugsverluste auf einem vernünftigen Minimum gehalten werden. Wenn jedoch die Abzugswärme dazu verwendet wird, um die Verbrennungsluft vorzuheizen, wird die Verbrennungsluft zum Umgebungsluft- Kühlmittel, das die Luft im Ofen an einer zu starken Sättigung hindert.
In vielen Nahrungsmittel-Heizvorgängen, z.B. bei einer Mehlspeisen- oder einer Brotbäckerei oder beim Kühlen von einigen Fleischarten, wird bei der Verdampfung von Wasser etwa genau soviel Energie wie bei der tatsächlichen Erwärmung des Produkts verbraucht. Der Wirkungsgrad des regenerativen Umlaufs, der durch die strahlauftreffende Luft/Feststoff-Wärmeübertragung wesentlich verbessert wird, kann viel von dieser Energie sparen und in einigen Fällen die Qualität des Nahrungsmittels sowie ein verkäufliches Erzeugnis sichern.
In Fig. 11 und 12 sind die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung des kondensierenden Wasserdampfs, die folgende Wasserverdampfung und dann die Erwärmung des Produkts über die Temperatur des kondensierenden Wassers in vergleichenden Heizkurven einer Temperaturänderung in einer Aluminiumplatte dargestellt, die mit Luftstrahlen erwärmt wurde, wobei bei A kein Wasserdampf und bei B Wasserdampf nahe dem Gleichgewicht mit 86,1ºC (187ºF) Wasser und 93,3ºC (200ºF) Lufttemperatur beigeben wurde.
Die Geschwindigkeit des Wärmeaustauschs in der ersten halben Minute von B beträgt 613W/m²/ºC (108BTU/Sq.Ft./Hr./ºF). Wenn das Wasser zu verdampfen beginnt, nachdem die Oberfläche des Produkts (Aluminiumplatte) die Temperatur des Wassers (Feuchttemperatur) erreicht, fällt die Geschwindigkeit der Wärmezufuhr auf den Bereich von 28,4W/m²/ºC (5BTU/Sq.Ft./Hr./ºF).
Zum Vergleich: die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung in trockener Luft, wie sie bei A dargestellt ist, ist nahezu stetig 85,155 W/m²/ºC (15BTU/Sq.Ft./Hr./ºF).
Nunmehr wird auf Fig 11 Bezug genommen. Die Daten 300 gelten für einen elektrischen Hochfeuchtigkeitsofen ohne Feuchtigkeitszugabe bei 9,41ms&supmin;¹ (1550FPM), die Daten 302 für einen Impinger 1000 mit einer genormten Säulenplatte bei 11,27ms&supmin;¹ (1850FPM), die Daten 304 für einen Impinger 1000 mit einer verbesserten Säulenplatte bei 12,15ms&supmin;¹ (2000FPM), die Daten 306 für einen Impinger II bei 10,33ms&supmin;¹ (1700FPM) und die Daten 308 für FS 6,2-6 Rohrstrahlen, die mit 11,24ms&supmin;¹ (1850) ausgestoßen werden.

Claims

1. Verfahren zum Regeln des Wasserdampfgehalts von Umluft in einem Konvektionsofen (20; 200) für Nahrungsmittelprodukte, die eine Anfangstemperatur besitzen, wobei diese Nahrungsmittelprodukte einer Wärmebehandlung auf eine Endtemperatur unterzogen werden, und wobei sie im Zuge der Behandlung auf einem Förderer (22; 204) durch den Ofen bewegt werden, wobei das Verfahren folgende Schritte enthält: Regeln der Temperatur der Umluft, so daß sie auf oder über der gewünschten Endoberflächentemperatur für die Nahrungsmittelprodukte liegt; und Richten der Umluft zur Oberfläche eines Nahrungsmittelprodukts, gekennzeichnet durch folgende Schritte: in Berührung bringen der Umluft mit der Oberfläche von Wasser in einem Wasserbehälter (80; 206); Regeln der Temperatur des Wassers im Behälter (80; 206), so daß sie auf einem Wert oberhalb der Anfangstemperatur der Nahrungsmittelprodukte und unterhalb der Temperatur der Luft liegt, um den Wasserdampfgehalt der Luft im wesentlichen gleich oder niedriger als bei jener Luft zu halten, die mit Wasserdampf gesättigt ist, so daß die von der Umluft mitgeführte Feuchtigkeit auf der Oberfläche eines Nahrungsmittelprodukts kondensiert, um eine rasche Anfangserwärmung zu liefern.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt, in dem die Umluft mit dem Wasser im Wasserbehälter (80; 206) in Berührung gebracht wird, dadurch ausgeführt wird, daß erste Luftstrahlen ausgebildet werden.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Schritt, in dem die Umluft zur Oberfläche eines Nahrungsmittelprodukts gerichtet wird, dadurch ausgeführt wird, daß zweite Luftstrahlen ausgebildet werden.

4. Verfahren gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Umluft weiters mit einer relativ trockeneren Außenluft vereinigt wird, um die Sättigung der Umluft herabzusetzen.

5. Verfahren gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Wasserdampfgehalt der Umluft unterhalb seines Sättigungspunkts gehalten wird, um eine Kondensation auf der Oberfläche von Nahrungsmittelprodukten, die in den Ofen (20; 200) eintreten, und eine Verdampfung von der Oberfläche der Nahrungsmittelprodukte zu fördern, die den Ofen verlassen.

6. Verfahren gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Umluft weiters mit einer relativ kühleren Außenluft vereinigt wird, bevor sie mit dem Wasser im Wasserbehälter (80; 206) in Berührung tritt, um die Temperatur des Wassers im Wasserbehälter unterhalb der Temperatur der Umluft zu halten.

7. Verfahren gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Temperatur des Wassers im Wasserbehälter (80; 206) dadurch unterhalb der Temperatur der Umluft gehalten wird, daß dem Wasserbehälter relativ kühleres Wasser geregelt beigegeben wird.

8. Verfahren gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Umluft im Gegenstrom zur Förderrichtung der Nahrungsmittelprodukte der Reihe nach mit Nahrungsmittelprodukten in Berührung tritt, die sich durch den Ofen (20; 200) bewegen, so daß die von der Oberfläche von erwärmten Nahrungsmittelprodukten verdampfte Feuchtigkeit auf der Oberfläche von kühleren Nahrungsmittelprodukten kondensiert wird.

9. Verfahren gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Verfahren weiters einen Schritt enthält, um die Nahrungsmittelprodukte mit Mikrowellenenergie zu erwärmen.

10. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Verfahren weiters folgende Schritte enthält: Ausbilden von Umluftstrahlen, nachdem die Luft an der Wasseroberfläche verteilt wurde, um Luftstrahlen zu bilden, die mit Feuchtigkeit geladen sind; und Richten der Luftstrahlen, die mit Feuchtigkeit geladen sind, über die Oberfläche eines Nahrungsmittelprodukts, um die Feuchtigkeit auf der Oberfläche des Nahrungsmittelprodukts zu kondensieren und verteilte Luft wegzuspülen, aus der die Feuchtigkeit kondensiert ist.

11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Verfahren zusätzlich folgende Schritte enthält: in Umlauf bringen der Luft durch ein erstes Abteil, um Feuchtigkeit von der Luft auf der Oberfläche eines Nahrungsmittelprodukts zu kondensieren; und in Umlauf bringen der Luft über die Oberfläche eines Nahrungsmittelprodukts in einem zweiten Abteil, um Feuchtigkeit von der Oberfläche des Nahrungsmittelprodukts zu verdampfen.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei das Nahrungsmittelprodukt ein fester Teig ist, dessen Anfangstemperatur in der Nähe von 36,7ºC (100ºF) liegt; wobei die Wassertemperatur auf etwa 76,7ºC (170ºF) und die Lufttemperatur auf etwa 176,7ºC (350ºF) gehalten werden.

13. Konvektionsofen (20; 200), um die Temperatur von Nahrungsmittelprodukten im Ofen von einer Anfangstemperatur auf eine gewünschte höhere Endtemperatur anzuheben, wobei der Ofen enthält:

(a) eine Fördereinrichtung (22; 204), um die Nahrungsmittelprodukte durch den Ofen zu bewegen;

(b) eine Einrichtung (210), um Luft im Ofen in Umlauf zu bringen; und

(c) eine Einrichtung (86; 87), um die Temperatur der Luft so zu regeln, daß sie auf oder über der gewünschten Endtemperatur der Nahrungsmittelprodukte liegt;

dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen weiters enthält:

(d) einen Wasserbehälter (80; 206);

(e) eine Einrichtung (82; 212; 214), um die Temperatur von Wasser im Behälter (80; 206) zu regeln;

(f) eine Einrichtung (102; 66; 202), um der Reihe nach die temperaturgeregelte Luft mit dem Wasser und mit den Nahrungsmittelprodukten in Berührung zu bringen; und

(g) eine Einrichtung (83; 216), um fortlaufend die Temperatur des Wassers im Behälter (80; 206) so zu regeln, daß sie auf einem Wert oberhalb der Anfangstemperatur der Nahrungsmittelprodukte sowie unterhalb der Temperatur der Luft liegt, um den Wasserdampfgehalt der Luft auf einem Wert zu halten, der im wesentlichen gleich oder niedriger als der Wert von Luft ist, die mit Wasserdampf gesättigt ist, so daß die von der Umluft mitgeführte Feuchtigkeit auf der Oberfläche eines Nahrungsmittelprodukts kondensiert, um eine rasche Anfangserwärmung zu liefern.

14. Ofen gemäß Anspruch 13, wobei die Einrichtung (210), um Luft im Ofen in Umlauf zu bringen, weiters eine Einrichtung enthält, um die Luft mit den Nahrungsmittelprodukten im Gegenstrom zur Förderrichtung der Nahrungsmittelprodukte in Berührung zu bringen.

15. Ofen gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei der Ofen weiters eine Auftreffeinrichtung (66; 202) enthält, um die temperaturgeregelte Luft mit den Nahrungsmittelprodukten in Berührung zu bringen.

16. Ofen gemäß jedem der Ansprüche 13 bis 15, wobei der Ofen weiters eine Auftreffeinrichtung (62) enthält, um die temperaturgeregelte Luft mit dem Wasser in Berührung zu bringen.

17. Ofen gemäß jedem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der Ofen weiters eine Einrichtung enthält, um die Umluft mit einer relativ kühleren Außenluft zu vereinigen.

18. Ofen gemäß jedem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Einrichtung zur Temperaturregelung des Wassers im Behälter weiters eine Einrichtung (214) enthält, um relativ kühleres Wasser geregelt in den Behälter einzuleiten.

19. Ofen gemäß jedem der Ansprüche 13 bis 18, wobei die Einrichtung zur Temperaturregelung des Wassers im Behälter (80; 206) weiters eine elektrische Heizeinrichtung (82; 212) enthält.

20. Ofen gemäß jedem der Ansprüche 13 bis 19, wobei der Ofen weiters eine Mikrowellenheizeinrichtung (45) enthält.

21. Ofen gemäß Anspruch 13 zum Kochen oder Backen eines teigigen Nahrungsmittelprodukts, wobei der Ofen enthält: eine Kochkammer; eine Einrichtung, die die Luft in der Kochkammer auf etwa 176,7ºC (350ºF) mit einem Feuchtigkeitsgehalt hält, der etwa gleich dem Feuchtigkeitsgehalt von Luft ist, die bei etwa 76,7ºC (170ºF) mit Feuchtigkeit gesättigt ist; eine Einrichtung, um festen Teig so in die Kammer zu bewegen, daß die Feuchtigkeit auf der Oberfläche des Teigs kondensiert, um eine Anfangserwärmung zu liefern; sowie eine Einrichtung, um Luftstrahlen über die Oberfläche des Teigs zu richten, um kondensierte Feuchtigkeit zu verdampfen und auf dem Teig eine knusprige, braune Kruste auszubilden.

22. Ofen gemäß Anspruch 13, wobei der Ofen weiters enthält: eine Mehrraum-Kochkammer; wobei die Fördereinrichtung (22; 204) die Nahrungsmittelprodukte durch die Räume in der Kochkammer bewegt; eine Einrichtung, um Luftstrahlen zur Oberfläche des Wassers im Behälter (80; 206) zu richten, um die Übertragung von Feuchtigkeit zwischen der Luft und dem Wasser zu beschleunigen; sowie eine Einrichtung, um Luftstrahlen so zu richten, daß sie in den Räumen auf der Oberfläche des Nahrungsmittelprodukts auftreffen, so daß die Feuchtigkeit auf der Oberfläche des Nahrungsmittelprodukts in einem ersten Raum kondensiert und von der Oberfläche in einem zweiten Raum verdampft.

23. Ofen gemäß Anspruch 13, um die Temperatur von teigigen Nahrungsmittelprodukten, die den Ofen durchlaufen, von einer Einlaßtemperatur auf eine gewünschte höhere Auslaßtemperatur anzuheben, wobei der Ofen (200) enthält: eine Kochkammer, wobei die Umlufteinrichtung (210) die Luft in der Kochkammer in Umlauf versetzt; eine Einrichtung, um die Lufttemperatur in der Kochkammer auf etwa 176,7ºC (350ºF) zu halten; eine Einrichtung, um Luft relativ zum Wasser im Behälter so in Umlauf zu versetzen, daß die Feuchtigkeit auf der Oberfläche des Teigs in der Kammer kondensiert, bis die Temperatur des Teigs etwa 76,7ºC (170ºF) erreicht, um eine Anfangserwärmung zu liefern; sowie eine Einrichtung (202), um Luftstrahlen über die Oberfläche des Teigs zu richten, um kondensierte Feuchtigkeit zu verdampfen, nachdem die Temperatur 76,7ºC (170ºF) erreicht, und auf dem Teig eine Kruste auszubilden.