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Backforum Hannover Führerschein Backtechnologie 19. - 21. Juni 2012, Hannover PowerPoint Presentation
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Presentation Transcript

  1. Backforum Hannover Führerschein Backtechnologie 19. - 21. Juni 2012, Hannover Grundlagen der Thermodynamik und Wärmeübertragung Vergleich verschiedener Ofentypen Baustein C: Intelligente Ofensteuerung

  2. Einteilung der Hauptprozessschritte zur Backwarenherstellung

  3. Schematisches Beispiel für erzwungene- und freie Konvektion Freie Konvektion Erzwungene Konvektion

  4. Schematische Darstellung der Beheizung von Backofensystemen Etagen-, Ladenbackofen Stikken-, Wagen-, Durchlauf-, Ladenbacköfen Direkt beheizt indirekt beheizt Holz Gas Strom Heizgasumwälzung (Zyklonen) Heizöl-, Heiz- dampfumwälzung Gas Strom Öl Thermoöl Dampf

  5. Strahlungskurven eines schwarzen Körpers unter differenzierten Temperaturen (Lindner, H.; Seite 420)

  6. Wärmestrom durch ein spezifisches Medium

  7. Kältetechnik Begriffserklärungen T, h-Diagramm für Wasser (1013 mbar) 200 100 0 -100 -200   Temperatur t in °C q Schmelzwärmer Verdampfungswärme1 Eis2 Eis und Wasser3 Wasser4 Wasser und Wasserdampf (Nassdampf)5 überhitzter Wasserdampf   r q  500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Spezifische Enthalphie h in KJ/kg

  8. Aufheizkurve von reinem Wasser Temperatur T Siedepunkt KP Schmelzpunkt FP 100°C gasförmig flüssig + gasförmig 0°C fest + flüssig flüssig fest Zeit

  9. Aufheizkurve von reinem Wasser Temperatur T Siedepunkt KP Schmelzpunkt FP 100°C gasförmig flüssig + gasförmig 0°C fest + flüssig flüssig fest Zeit

  10. Energieerhaltungssatz: Was an Energie z.B. beim Verdampfen hineingesteckt ist , wird beim Kondensieren wieder frei Enthalpie kj/kg 2500 2000 1500 1000 500 0 -500 Temperatur °C -50 0 50 100 150 An den Phasenübergängen von fest zu flüssig und von flüssig zu gasförmig ist ein überproportionaler Energieeinsatz notwendig, um die jeweilige „Schwelle“ zu überwinden.

  11. Spezifisches Volumen von Teigen und Backwaren in L / kg

  12. Optimiertes Gebäckvolumen – Einfluss der Gare auf Volumen und Porung Volumen Volumen Cut Fermentation

  13. Wärmetransport in unterschiedlich porösen Teigen beim Backvorgang (schematisch) Abb.: Kerntemperatur bei gasdurchsetzten (Teig mit Gare) und nicht-gasdurchsetzten Teig (Teig ohne Gare) (Sluimer, 1995 TNO)

  14. Stand es Wissens: Wärme-und Stofftransport beim Backprozess Hypotheses and considerations: Heat transfer Mass transfer Oven-rise Transfer Krume Conductive Convective Kruste Water (liq and vapor)CO2Air Balance of forces (viscous and pressure) Transfer Quelle: Wagner, M.J., Lucas, T., Doursat, C.; Flick, D. & Trystram, G. (2007). Mathematical modelling of heat and mass transport and expansion during bread baking. I Conceptual and mathematical model. AlChe Journal submitted. Wagner, M.J., Lucas, T., Doursat, C.; Flick, D. & Trystram, G. (2007). Mathematical modelling of heat and mass transport and expansion during bread baking. II Simulation and experimental verification. AlChe Journal submitted.

  15. Arten des Wärmetransportes • konduktiv (Wärmeleitung) • konvektiv (Wärmeströmung • Wärmestrahlung (IR: 0,8 … 15µm) (strahlende Körper sind u. a. Werkstoffe aber auch Wasser oder CO2) • Wärmeübergang beim ändern des Aggregatzustandesz. B. Verdampfen, Kondensieren (Verdampfungsenthalpie, Kondensationsenthalpie)

  16. Gekoppelte Einflussgrössen während eines BackprozessesInteraktion und Gleichgewicht: flüssig gasförmig viskose Kräfte KonvektionWärmeleitfähigkeit Trockenmasse Thermisch Wärmeleitungthermische Expansion p·V= n R·T VerdampfungskältePoren-Generierung Festigung der Porenwände Mol-Massen etc.p·V= nRT Viskosität(z. B. Endviskosität) aw-WertPorenwände- Dicke, Volumen…- Zustand (Glaszustand)- Festigkeit Verdampfung GasExpansion / Konvektion Flüssig Gleichgewichtsfeuchte FERNANDA VANIN et al. 2008

  17. Backprozess thermodynamisch Mechanismus Heattransport Evaporation-condensation - Porosity • Bakingtemperature • Thermal conductivity (ƛ) Mechanicbalance - TEta / Tkg Wateractivitylow

  18. Transporteffekte beim Backen Äußerer Wärmetransport Durch Konvektion, Strahlung, Kondensation und direkten Kontakt Transport von Wasserdampf Innerer Wärmetransport Anfangs nur Wärmeleitung, Konvektionsanteil nimmt durch Volumenexpansion stetig zu Transport von CO2 flüchtigen Aromakomponenten • Im Backgut: • Temperaturanstieg • Wasserverdampfung • Volumenzunahme • Massenabnahme • Reaktionen (Maillard) • Temperaturabhängige Transporteigenschaften

  19. Wärmerohr-Prinzip (vereinfacht), schematische Darstellung einer Teigpore als primärer Parameter des thermischen Verlaufes beim Backen (nach Lösche, modifiziert) Kondensation Wärmeleitung Kondensationswärme Wärmezufuhr Konvektion H2O Zellwand einer (kalten) Pore(eines Teiges) u. a. Rücktransport der Wärme über Kapillar- und Porensystem

  20. Regelstrecke Backprozess/ Backtechnologie Regelgröße/ Teilmatrix Regelstrecke / Dynamisches System Stellgröße / Technologie • Veränderliche Stoffwerte beim Backprozess • Dichte • Porosität • Feuchte (aw-Wert) • Feststoffstruktur • Oberflächsen-beschaffenheit • Spez. Wärmekapazität • Wärmeleitfähigkeit • Emissionskoeffizient • Struktur • Prozessführung beim Backen • Rezeptur • Backtemperatur • Backzeit • Befeuchtungsmethode, Schwaden, Ultraschall- oder Düsenvernebelung • Befeuchtungsmenge • Teigbearbeitung • Ofenbauart & Geometrie Wärmetransport Backguttemperatur Reaktionen Stofftransport Volumenänderung Backware: Geruch, Geschmack, Farbe, Aussehen, Textur, Volumen etc.

  21. Backprozess: Wärmeleitfähigkeiten verschiedener Medien

  22. Einflussgrößen und ihre Wechselwirkungen beim Backprozess Feuchteführung Energiemanagement Entschwadung (Stoffübergang) Wärmerück-gewinnung Schwaden- gabe Belegung Back-dauer Backwaren-Charakter Ofen-temperatur Kern-temperatur Wärme-übergang Produktverfahren Temperaturführung Der Charakter ihrer Produkte resultiert aus dem fein austarierten Zusammenspiel unterschiedlichster Faktoren

  23. Produkte spezifisch backen…. Welches Produkt braucht was? Deutliche Unterschiede… Produkt Energieanforderung Anfangstemperatur Temperatur-beweglichkeit Schwadenbedarf Roggenbrot Tourierte Gebäcke Hefezopf Brötchen

  24. Wärmetransport in Formeln

  25. Wärmeleitung im Backofen (MIWE)

  26. Konvektion im Backofen (MIWE)

  27. Infrarotstrahlung im Backofen (MIWE)

  28. Kondensation beim Backprozess (MIWE)

  29. EtagenofenStoffumwandlungen und Strukturierungen beim Backprozess Typischer Backversuch von Brot in einem klassischen Etagenofen

  30. StikkenofenStoffumwandlungen und Strukturierungen beim Backprozess Völlig anders dagegen: das Abbacken von Brötchen in einem Stikkenofen

  31. Thermoofen Stoffumwandlungen und Strukturierungen beim Backprozess Backen von Brot in einem thermo-ölbeheizten Ofen

  32. Temperaturverlauf MIWE condo oben/unten ohne Befeuchtung

  33. Einfluss der Schwadenmenge auf den Temperaturverlauf im MIWE condo

  34. Ofencharakteristik SWB im MIWE condo bei 230°C

  35. Ofencharakteristik SWB im Siemens HB75AA560F bei 230°C

  36. Ofencharakteristik SWB im Siemens HB75AA560F bei 270°C

  37. Ofencharakteristik SWB im Bosch HBC84K553 bei 230°C

  38. Bräunungsreaktion ohne Schwaden

  39. Einfluss von Schwaden: Thermische Hydrolyse der Stärke führt zu Dextrinen, die Glanz bilden

  40. Vergleich Ofencharakteristik Etagenöfen

  41. Wärmecharakteristik nach Wachtel

  42. Vergleich der Wärmeanteile zwischen Differenzmethode Systemanalyse und MIWE-Prospekt

  43. Temperaturverlaufeines typischen Prozessablaufes zur thermischen Endbehandlung von Backwaren

  44. Wirkungsgradband für die Schwadenseite Wirkungsgradband für die Schwadenseite der MIWE eco:nova

  45. Einteilung der Hauptprozessschritte zur Backwarenherstellung

  46. Ofentypen im Vergleich

  47. Stoffumwandlungen und Strukturierungen beim Backprozess • Funktionelle Eigenschaften der Kornbestandteile – Inhalt • 2.1 Kohlenhydrate • 2.1.1 Stärke • 2.1.2 Pentosane • 2.2 Proteine • 2.3 Lipide • 2.4 Enzyme • 2.4.1 Amylasen • 2.4.2 Proteinasen • 2.4.3 weitere Enzyme

  48. Das technologisch „Besondere“ von Getreide Kohlenhydrate Proteine Lipide Energie (Zusätze) a 1,6-Bindung zwischen zwei Glukosebausteinen a 1,4-Bindung zwischen zwei Glukosebausteinen Viskoelastisches, kohäsives drei- dimensionales Netzwerk Weizen Roggen

  49. Kohlenhydrattypen und ihre Funktionen (1/2) Niedermolekulare KH Glucose Fructose Maltose Saccharose löslich vergärbar reduzierend bräunend Niederpolymere KH Oligosaccharide Dextrine löslich glanzbildend filmbildend klebend

  50. Kohlenhydrattypen und ihre Funktionen (2/2) Hochpolymere KH Stärke Pentosane β-Glucane, Cellulose wasserbindend gelbindend löslich / nichtlöslich Komplexe KH Glycolipide Glycoproteine emulgierend