Bewertung und Verbesserung des Energiemanagements in industriellen Backöfen

The final step in bread making is the baking process to produce the final attributes of product quality, including texture, color, and flavor, as a result of several thermal reactions. These thermal reactions are dominated by heat and mass transfer mechanisms inside an oven chamber as well as inside the dough pieces. This research involves studying existing methods of baking bread in a common type of industrial oven. A simulation of the oven operating conditions and the conditions of the food moving through the oven is performed and analyzed using COMSOL, an engineering modeling design and simulation software. A 2-D axisymmetric mathematical model was developed in order to simulate coupled heat and mass transfer during the bread baking process and to predict bread temperature and water content at different oven temperatures (180, 200, 220, 240 and 260 °C). The thermal physical properties of bread are the functions of local values of temperature and moisture content. The model equations were solved using COMSOL Multiphysics. Transient temperature and moisture distributions inside the product were predicted. The results showed that the temperature of the crust increased from 132 °C to 179 °C by raising the oven temperature from 180 to 260°C. The results also showed that increasing bread temperature and decreasing moisture content are the functions of time. The temperature increased from 20 °C to 157 °C, and the “moisture loss” increased from 0 % to 43.7 % during a time period of 30 min at an average oven temperature of 220 °C. A mathematical model for simultaneous heat, water, and vapor diffusion was developed to predict the diffusion of water inside foods during heat processing. The model is based on Fourier’s and Fick’s Laws. The diffusion of liquid water is separated from the diffusion of water vapor. The dough dried in a conventional oven at 220 °C and the local water content and temperatures were measured during the drying in the center, halfway to the center as well as at the surface. Several critical values in the temperature and moisture profiles were also taken as characteristic values of the process. The first critical value is the time when the bread temperature reaches 100 °C. The second critical value is the time when the liquid water content at the center of the bread reaches its peak. The third critical value is the level of the peaked liquid water content at the center. The results showed that the simulated water content at the surface decreases rapidly when the temperature increases. At first, the simulated water content halfway to the center increases a little and then starts to decrease. The simulated temperature remains on a plateau while the water content starts to decrease. In the center, the water content increases in the beginning and then slowly starts to decrease. The mathematical model was highly sensitive to the time step and satisfactory results were only yielded over a range of time steps, between 15 s and 100 s. Smaller time steps produced an erroneous and diverged result, while a bigger time step rendered a useless result. The efficiency of a bread oven with direct heating was investigated by using energy and exergy methods. Energy efficiency and exergy efficiency values were evaluated for the natural gas-fired furnace and the efficiency improvement was analyzed before and after a new regenerative burner was installed on the oven.Der letzte Schritt in der Brotherstellung ist der Backprozess, um die endgültigen Attribute der Produktqualität, einschließlich Textur, Farbe und Geschmack, als Folge von mehreren thermischen Reaktionen zu produzieren. Diese thermischen Reaktionen werden von Wärme-und Massentransfermechanismen in einer Ofenkammer sowie innerhalb der Teigstücke dominiert. Diese Forschung beinhaltet die Untersuchung von bestehenden Brotbackverfahren in einem üblichen industriellen Ofen. Die Simulation der Ofenbetriebsbedingungen und der Bedingungen der Lebensmittel, die sich durch den Ofen bewegen, wird unter Verwendung von COMSOL, einer technischen Modellierungs-, Entwurfs- und Simulationssoftware, durchgeführt und analysiert. Ein achsensymmetrisches mathematisches 2-D-Modell wurde entwickelt, um den gekoppelten Wärme- und Stofftransport während des Brotbackprozesses zu simulieren und (die) Brottemperatur und (den) Wassergehalt bei verschiedenen Ofentemperaturen (180, 200, 220, 240 und 260 ° C) vorherzusagen. Die thermischen physikalischen Eigenschaften von Brot sind die Funktionen der lokalen Werte von Temperatur und Feuchtigkeitsgehalt. Die Modellgleichungen wurden mit COMSOL Multiphysics gelöst. Vorübergehende Temperatur- und Feuchtigkeitsverteilungen im Produkt wurden vorhergesagt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Temperatur der Kruste von 132 °C auf 179 °C stieg, indem die Ofentemperatur von 180 auf 260 °C erhöht wurde. Die Ergebnisse zeigten auch, dass die Erhöhung der Brottemperatur und die Verringerung des Feuchtigkeitsgehalts die Funktionen der Zeit. sind Die Temperatur stieg von 20 °C auf 157 °C und der "Feuchtigkeitsverlust" erhöhte sich bei einer durchschnittlichen Ofentemperatur von 220 °C innerhalb von 30 Minuten von 0 % auf 43,7 %. Ein mathematisches Modell für gleichzeitige Wärme-, Wasser- und Dampfdiffusion wurde entwickelt, um die Diffusion von Wasser in Lebensmitteln während der Wärmebehandlung zu prognostizieren. Das Modell basiert auf den Fourierschen und Fickschen Gesetzen. Die Diffusion von flüssigem Wasser ist von der Diffusion von Wasserdampf getrennt. Der in einem herkömmlichen Ofen bei 220ºC getrocknete Teig und der lokale Wassergehalt und die Temperaturen wurden während des Trocknens in der Mitte, auf halber Strecke zur Mitte und an der Oberfläche gemessen. Mehrere kritische Werte in den Temperatur- und Feuchtigkeitsprofilen wurden ebenfalls als charakteristische Werte des Verfahrens verwendet. Der erste kritische Wert ist die Zeit, wenn die Brottemperatur 100 ° C erreicht. Der zweite kritische Wert ist der Zeitpunkt, wenn der flüssige Wassergehalt in der Mitte des Brotes seinen Höchstwert erreicht. Der dritte kritische Wert ist das Niveau des Spitzenwassergehaltes in der Mitte. Die Ergebnisse zeigten, dass der simulierte Wassergehalt an der Oberfläche rapide sinkt, wenn die Temperatur zunimmt. Der simulierte Wassergehalt auf halbem Weg zum Zentrum nimmt zunächst etwas zu und beginnt dann zu sinken, die simulierte Temperatur bleibt auf einem Plateau, während der Wassergehalt anfängt zu sinken. In der Mitte nimmt der Wassergehalt am Anfang zu und beginnt dann langsam zu sinken. Das mathematische Modell reagierte auf den Zeitschritt sehr sensibel und befriedigende Ergebnisse wurden nur durch eine Reihe von Zeitschritten, zwischen 15 s und 100 s erzielt. Kleinere Zeitschritte führten zu einem fehlerhaften und abweichenden Ergebnis, während ein größerer Zeitschritt zu einem unbrauchbaren Ergebnis führte. Die Effizienz eines Brotbackofens mit Direktheizung wurde mit Methoden der Energie und Exergie untersucht. Die Werte der Energie-und Exergieeffizienz für den mit Erdgas beheizten Ofen wurden ausgewertet und die Effizienzverbesserung vor und nach der Installation des neuen regenerativen Brenners auf dem Backofen wurde analysiert