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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kochen
von Fleisch- und Wurstwaren gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 bzw. 12.
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Es
sind bereits Verfahren und Vorrichtungen dieser Art zum Garen von
Fleisch- und Wurstwaren unter Atmosphärendruck bekannt, bei denen
eine verschließbare
Kochkammer mit einem oder mehreren Kochwagen beschickt wird, an
welchen die zu kochende Ware aufgehängt oder auf Roste aufgelegt ist,
und bei denen die geschlossene Kochkammer nach Aufnahme der Kochwagen
unter Atmosphärendruck
mit Sattdampf beaufschlagt wird. Der Sattdampf wird dort mit niedriger
Geschwindigkeit zugeführt
und vermischt sich mit der Luft in der Kochkammer. Das dabei entstehende
Sattdampf/Luftgemisch wird umgewälzt,
so dass es mit den Oberflächen
der Ware in Berührung
kommt, deren Temperatur unter dem Taupunkt des Sattdampf/Luftgemischs
liegt. Somit kommt es dort zu einer Kondensation von Wasserdampf,
so dass die Ware durch die freiwerdenden Kondensationswärme bis
zu einer zum Garen erforderlichen Temperatur erhitzt und gleichzeitig
infolge des Dampfdruckgefälles
zwischen der Oberfläche und
dem Inneren der Ware vor Austrocknung geschützt wird. Die Regelung der
Temperatur in der Kochkammer auf einen angestrebten Wert von etwa 80 °C bei einer
relativen Luftfeuchtigkeit von etwa 98 % er folgt mittels eines in
der Kochkammer angeordneten Thermometers, dessen Temperaturwert
die Grundlage für
die Einstellung der zugeführten Dampfmenge
bildet.
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Die
Umwälzung
des Sattdampf/Luftgemischs erfolgt bei der bekannten Vorrichtung
mit Hilfe eines im oberen Teil der Kochkammer angeordneten Gebläses. Bei
der Dampfzufuhr mit geringer Einströmgeschwindigkeit bedeutet dies
jedoch, dass sich der Sattdampf erst im Gebläse innig mit der Luft in der
Kochkammer vermischt, so dass es in Teilbereichen der Kochkammer
zu einer inhomogenen Temperaturverteilung kommen kann, die ein ungleichmäßiges Erhitzen
der Ware zur Folge hat. Außerdem
wird die Anbringung eines Gebläses
innerhalb der Kochkammer u.a. wegen der zusätzlichen Kosten und der Notwendigkeit
einer Überwachung als
nachteilig empfunden.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu entwickeln, die eine
gleichmäßige Durchmischung
von Sattdampf und Luft und eine homogene Temperaturverteilung in der
Kochkammer ermöglichen
und damit einen gleichmäßigeren
Wärmeübergang
vom Sattdampf/Luftgemisch auf die Ware sicherstellen.
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Diese
Aufgabe wird durch die den Patentansprüchen 1 bzw. 12 angegebene Merkmalskombinationen
gelöst.
Bei den vorgesehenen Geschwindigkeiten von mehr als 50 m/s reicht
der Impuls des Sattdampfs aus, um die Luft in der Kochkammer ohne
ein zusätzliches
Gebläse
oder dergleichen um wälzen. Allgemein
wird dies erst bei Austrittsgeschwindigkeiten der Fall sein, die
einem Mehrfachen der Strömungsgeschwindigkeit
entsprechen, mit denen der Sattdampf bei Kochvorrichtungen der genannten
Art durch das der Sattdampfzufuhr dienende Rohrleitungssystem geführt wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind an der
Düsenöffnung Austrittsgeschwindigkeiten
zwischen 100 und 200 m/s vorgesehen, verglichen mit Strömungsgeschwindigkeiten
im Rohrleitungssystem, die bei den eingangs genannten Vorrichtungen
gewöhnlich weniger
als 20 m/s betragen. Durch die hohe Austrittsgeschwindigkeit des
Sattdampfs wird ein Teil der Luft in der Kochkammer mitgerissen
und eine starke Turbulenz erzeugt, die bereits in kurzer Entfernung hinter
der Austrittsöffnung
der Beschleunigerdüse eine
intensive Verwirbelung und Vermischung des Sattdampf mit der Luft
in der Kochkammer zur Folge hat. Außerdem entsteht hinter der
Austrittsöffnung der
Beschleunigerdüse
ein Unterdruck, der ein Nachströmen
von Luft bzw. abgekühltem
Sattdampf/Luftgemisch aus der Kochkammer und damit eine Umwälzung des
Sattdampf/Luftgemischs in der Kochkammer bewirkt.
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Durch
entsprechende Anordnung und Ausrichtung der Beschleunigerdüsen lässt sich
weiter erreichen, dass das Sattdampf/Luftgemisch in gewünschter
Weise in der Kochkammer zirkuliert, so dass die gesamte Ware gleichmäßig mit
dem Sattdampf/Luftgemisch beaufschlagt wird und sich in der gesamten
Kochkammer eine gleichmäßige Temperaturverteilung
einstellt.
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Um
neben dem Impuls des aus den Beschleunigerdüsen austretenden Sattdampfs
auch den thermischen Auftrieb des Sattdampf/Gasgemischs in der Kochkammer
zur Erzeugung oder Aufrechterhaltung einer Zirkulation auszunutzen,
sieht eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass
der Sattdampf von oben in die Kochkammer injiziert wird, so dass
sich eine vertikale Zirkulation des Sattdampf/Luftgemischs ausbildet,
die unterhalb der Beschleunigerdüsen
eine Abwärtsströmung und zwischen
den Beschleunigerdüsen
eine Aufwärtsströmung umfasst.
Vorzugsweise sind die Beschleunigerdüsen derart im oberen Teil der
Kochkammer angeordnet, dass der Sattdampf nach dem Austritt aus
den Beschleunigerdüsen
zusammen mit der mitgerissenen Luft zuerst an gegenüberliegenden
Seitenwänden
der Kochkammer nach unten in Richtung des Bodens der Kochkammer
und anschließend
in der Mitte der Kochkammer nach oben strömt, wobei er die auf dem oder
den Kochwagen angeordnete Ware umstreicht. Durch diese Maßnamen wird
erreicht, dass die Zirkulation des Sattdampf/Luftgemischs im Bereich
der Ware aufgrund des thermischen Auftriebs auch bei einer kurzzeitigen
Unterbrechung der Sattdampfzufuhr anhält, so dass sich an der Oberfläche der
Ware keine den Wärmeübergang behindernde
ruhende Luftschicht ausbilden kann.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann ein übermäßig starkes
Aufheizen der in der Nähe
der Beschleunigerdüsen
angeordneten Ware dadurch vermieden werden, dass der Sattdampfstrahl
schräg
von oben gegen eine der Beschleunigerdüse benachbarte Seitenwand der
Kochkammer gerichtet wird, wobei zudem durch den Aufprall eine weitere
Verwirbelung erfolgt. Die Ablenkung des Sattdampfstrahls erfolgt
zweckmäßig dadurch,
dass die nach unten weisenden Beschleunigerdüsen unter einem Winkel gegenüber der
Vertikalen von der Ware weg in Richtung der benachbarten Seitenwand
geneigt sind.
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Um
insbesondere bei relativ langen Mehrwagen-Kochkammern Unterschiede
bei der Beladung der Waren und dadurch bedingte unterschiedliche Strömungswiderstände auszugleichen
und eine Vergleichmäßigung der
Temperatur in der gesamten Kammer sicherzustellen, sieht eine weitere
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass der vertikalen
Zirkulation in der Kochkammer eine im Wesentlichen parallel zu den
Seitenwänden
in Umfangsrichtung der Kochkammer verlaufende horizontale Zirkulation überlagert
wird. Dies wird zweckmäßig dadurch
erreicht, dass mindestens ein Teil der nach unten weisenden Beschleunigerdüsen in einem
Bereich angeordnet ist, der an den Seitenwänden der Kochkammer entlang
um diese herum verläuft,
und dass die Beschleunigerdüsen
jeweils in derselben Umfangsrichtung unter einem Winkel gegenüber der Vertikalen
geneigt sind.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Dampfzufuhr
in Abhängigkeit
von der Temperatur in der Kochkammer, wobei vorzugsweise auf eine Aufheizphase
mit kontinuierlicher Sattdampfinjektion eine Warmhaltephase mit
intermittierender Sattdampfinjektion folgt, so dass die Sattdampfzufuhr
bei Erreichen eines vorgegebenen Temperatursollwerts in der Kochkammer
verringert werden kann, ohne die Austrittsgeschwindigkeit des Sattdampfs
herabzusetzen und damit die Umwälzung
des Sattdampf/Luftgemischs zu beeinträchtigen. Zwischen der Aufheizphase
und der Warmhaltephase ist zweckmäßig eine Übergangsphase vorgesehen, in
der bei Annäherung
an den Temperatursollwert auf aufeinanderfolgende Einzelinjektionen übergegangen
und deren Dauer schrittweise verringert wird. Um bei einer intermittierenden
Zufuhr von Sattdampf während
der Warmhaltephase und gegebenenfalls während der Übergangsphase ein Abreißen der
Zirkulation in der Kochkammer zu verhindern, wird der Sattdampf
gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung jeweils nur mit
kurzzeitigen Unterbrechungen von wenigen Sekunden in die Kochkammer
injiziert.
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Zur
Steuerung der Sattdampfzufuhr wird vorzugsweise ein PID-Regler verwendet,
bei dem der P-Anteil am Steuergerät derart vorgegeben werden kann,
da es nur zu den genannten kurzzeitigen Unterbrechungen der Sattdampfzufuhr
kommt, so dass sich die Zirkulation in der Kochkammer nie bis zu
einem Abreißen
der Strömung
verlangsamt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung in schematischer
Weise dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen
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1 eine
perspektivische Ansicht einer mit drei Kochwagen beschickten Mehrwagen-Kochkammer;
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2 einen
Querschnitt durch die Kochkammer entlang der Linie 2-2 der 1;
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3 einen
horizontalen Schnitt durch die Kochkammer entlang der Linie 3-3
der 2;
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4 einen
Längsschnitt
durch die Kochkammer entlang der Linie 4-4 der 3;
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5a eine
Seitenansicht einer mit mehreren Beschleunigerdüsen verbundenen Dampfzufuhrleitung;
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5b einen
Längsschnitt
durch eine Beschleunigerdüse;
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6 ein
Schaubild, welches den Temperaturverlauf in der Kochkammer und im
Inneren der Ware während
eines Kochvorgangs sowie die Art und Weise der Dampfzufuhr während einzelner
Phasen des Kochvorgangs veranschaulicht.
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Die
in der Zeichnung dargestellte Kochkammer 2 ist Teil einer
Vorrichtung oder Anordnung zum Kochen von Fleisch- und Wurstwaren oder
dergleichen, welche neben der Kochkammer 2 im wesentlichen
einen Sattdampferzeuger, eine Einrichtung zur Zufuhr von Sattdampf
vom Sattdampferzeuger zur Kochkammer 2, eine Regelungseinrichtung
für die Sattdampfzufuhr
sowie eine mit zwei Bodensyphons 4 der Kochkammer 2 verbundene
Einrichtung zur Entsorgung des beim Kochen in der Kochkammer 2 anfallenden
Kondenswassers umfasst.
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Die
Kochkammer 2 besteht im Wesentlichen aus einem quaderförmigen wärmeisolierten
Gehäuse 6 mit
einer verschließbaren
Türe 8,
durch welche die Kochkammer 2 mit Kochwagen 10 beschickt
werden kann, die mit der zu kochenden Ware (nicht dargestellt) beladen
sind. Die inneren Abmessungen der Kochkammer 2 sind so
an die äußeren Abmessungen
der Kochwagen 10 angepasst, dass zwischen den Seitenwänden 12,14 der
Kochkammer 2 und den seitlichen Begrenzungen der Kochwagen 10 sowie zwischen
benachbarten Kochwagen 10 ein schmaler Zwischenraum 16 freibleibt.
Das Gesamtvolumen der Kochkammer 2 beträgt bei einer Grundfläche von etwa
3,3 m2 und einer Höhe von etwa 2 m ungefähr 6,6 m3.
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Zum
Kochen der in die Kochkammer 2 eingebrachten Ware kann
Sattdampf vom Sattdampferzeuger in die unter Atmosphärendruck
gehaltene Kochkammer 2 zugeführt werden. Für die Dampfzufuhr
weist die Kochkammer 2 zwei Reihen von jeweils vier Beschleunigerdüsen 20 auf,
die nebeneinander und parallel zu den Längsseitenwänden 12 in einem Deckenraum 18 der
Kochkammer 2 angeordnet und durch eine verzweigte, mit
einem Absperrventil versehene gemeinsame Dampfzufuhrleitung 26 mit
dem Sattdampferzeuger verbunden sind. Die Beschleunigerdüsen 20 weisen
einen in Richtung ihrer Austrittsöffnung 28 verjüngten Innenquerschnitt
auf, so dass aus der Dampfzufuhrleitung 26 in eine Be schleunigerdüse 20 eintretender
Sattdampf in der Düse 20 beschleunigt
wird. Bei einem eintrittsseitigen Überdruck von etwa 0,5 bar und
einer Strömungsgeschwindigkeit
in der Dampfzufuhrleitung 26 von etwa 12,5 m/s wird bei
gegebenem Querschnittsverhältnis (5b)
der aus der Beschleunigerdüse 20 austretende
Sattdampf mit einer Geschwindigkeit von bis zu 200 m/s in die Kochkammer 2 injiziert,
so dass sich in der Kochkammer 2 starke Turbulenzen bilden, die
für eine
intensive Verwirbelung und Vermischung mit der Luft in der Kochkammer 2 sorgen.
In der Kochkammer 2 selbst werden Strömungsgeschwindigkeiten von
etwa 1 m/s angestrebt, die sich bei den oben genannten Abmessungen
der Kochkammer 2 durch eine Injektion von Sattdampf unter
den zuvor genannten Bedingungen ohne weiteres erreichen lassen.
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Die
Beschleunigerdüsen 20 sind
jeweils so angeordnet, dass sich ihre Austrittsöffnung 28 am oberen
Ende des Zwischenraums 16 zwischen den Längsseitenwänden 12 der
Kochkammer 2 und den Kochwagen 10 befindet, so
dass der austretende Sattdampfstrahl nach unten in den Zwischenraum 16 hinein
gerichtet ist. Dadurch wird erreicht, dass der Sattdampf Luft aus
der Kammer in den Zwischenraum 16 mitreißt, wo eine
intensive Verwirbelung erfolgt. Das im Zwischenraum 16 nach
unten strömende
Sattdampf/Luftgemisch gelangt über
Freiräume zwischen
der Ware und unter dem Boden der Kochwagen 10 zur Mitte
der Kochkammer 2, wo es aufgrund des thermischen Auftriebs
zwischen der Ware nach oben strömt.
Dabei kühlt
es sich an den kälteren Oberflächen der
Ware ab, wobei ein Teil des Wasser dampfs kondensiert und sich an
der Ware niederschlägt.
Dabei wird die Kondensationswärme
auf die Ware übertragen
und erwärmt
diese. Gleichzeitig verhindert das an der Oberfläche der Ware gebildete Kondenswasser
ein Austrocknen der Ware.
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Durch
das Mitreißen
von Luft bei der Injektion des Sattdampfs entsteht hinter der Austrittsöffnung 28 der
Beschleunigerdüse 20 ein
Unterdruck, der dafür
sorgt, dass das zwischen der Ware hindurch in den Deckenraum 18 gelangte
abgekühlte und
mit weniger Feuchtigkeit beladene Sattdampf/Luftgemisch wieder in
Richtung der Beschleunigerdüsen 20 angesaugt
wird, so dass insgesamt eine durch Pfeile P1 in 1 und 2 dargestellte vertikale
Zirkulation des Sattdampf/Luftgemischs in der Kochkammer 2 erzeugt
wird.
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Die
Beschleunigerdüsen 20 weisen
mit ihrer Austrittsöffnung 28 schräg nach unten,
wobei sie sowohl auf die benachbarte Längsseitenwand 12 als auch
auf eine der Stirnseitenwände 14 zu
gerichtet sind. Mit anderen Worten schließen die Projektionen der Beschleunigerdüsen in eine
zu den Längsseitenwänden 12 senkrechte
Vertikalebene und in eine zu den Stirnseitenwänden 14 senkrechte
Vertikalebene einen Winkel mit der Vertikalen ein, der bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
zweckmäßig zwischen
5° und 10° liegt und
vorzugsweise 7° beträgt. Dabei
sind jeweils die Beschleunigerdüsen 20 einer Düsenreihe
zur gleichen Stirnseitenwand 14 hin geneigt, während die
Beschleunigerdüsen 20 der
anderen Düsenreihe
zur gegenüber liegenden
Stirnseitenwand 14 hin weisen. Während durch die Neigung der Beschleunigerdüsen 20 in
Richtung der jeweils benachbarten Längsseitenwand 12 verhindert
wird, dass der Sattdampfstrahl unmittelbar auf die zu kochende Ware
auftrifft und diese überhitzt
und schädigt,
wird der Sattdampfstrahl durch die Neigung der Beschleunigerdüsen 20 der
beiden Düsenreihen
in jeweils entgegengesetzter Richtung in einer horizontalen Umfangsrichtung
der Kochkammer 2 abgelenkt, so dass der vertikalen Zirkulation
eine durch Pfeile P2 in 1 und 3 dargestellte
horizontale Zirkulation in der Kochkammer 2 überlagert
wird. Durch den schrägen
Aufprall des Sattdampfstrahls auf die benachbarte Längsseitenwand 12 wird
dieser außerdem
zusätzlich
verwirbelt.
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Das
von der Ware und den Kochwagen 10 abtropfende Kondenswasser
fließt über den
schwach geneigten Boden der Kochkammer 2 in die zwei Bodensyphons 4 (4)
und kann nach einem Hindurchtritt in einem Sammelbehälter aufgefangen
und vorschriftsgemäß entsorgt
werden.
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Die
Regelung der Sattdampfzufuhr in die Kochkammer 2 erfolgt
in Abhängigkeit
von der Temperatur in der Kochkammer 2. Diese wird zweckmäßig mit
einem nicht dargestellten Temperaturfühler im Deckenraum 18 gemessen.
Das Ausgangssignal des Temperaturfühlers wird einem PID-Regler
(nicht dargestellt) zugeführt,
der das Absperrventil in der Sattdampfzufuhrleitung 26 in
Abhängigkeit
von der gemessenen Temperatur öffnet
oder schließt.
Das Ende des Kochvorgangs wird durch eine Temperaturmessung im Kern der
Ware bestimmt, beispielsweise mit Hilfe eines als Stichfühler ausgebildeten
Temperaturfühlers,
der an einer ausgewählten
Stelle in der Mitte des Wagens in die Ware eingestochen wird und
eine gewisse Zeit nach Erreichen einer vorgegebenen Temperatur-Sollwerts
im Kern von etwa 65° C über den
Regler eine Abschaltung der Sattdampfzufuhr bewirkt. 6 zeigt
den zeitabhängigen
Verlauf der Kochkammertemperatur und der Kerntemperatur sowie den Öffnungs-
und Schließzustand
des Absperrventils bzw. der Sattdampfzufuhr.
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Das
Absperrventil bleibt während
einer Aufheizphase zu Beginn des Kochvorgangs kontinuierlich geöffnet, bis
sich die Luft in der Kochkammer durch fortlaufende Zufuhr von Sattdampf
mit einer Temperatur von etwa 107° C
(vor der Entspannung in den Beschleunigerdüsen) von einer Ausgangs- oder Umgebungstemperatur
auf eine Temperatur von etwa 70° C
erwärmt
hat. Um eine Aufheizung der Kochkammer 2 auf eine Temperatur
oberhalb des gewünschten
Kammertemperatur-Sollwerts von etwa 80° C zu vermeiden, schließt sich
an die etwa 40 Minuten dauernde Aufheizphase eine Übergangsphase von
etwa 30 Minuten Länge
an, in welcher der Sattdampf durch abwechselndes Öffnen und
Schließen der
Dampfzufuhr intermittierend zugeführt wird, wobei in dieser Phase
die Zeitspannen, in denen eine Dampfzufuhr erfolgt, schrittweise
bis zu einer Dauer von etwa 2 bis 3 Sekunden verkürzt werden.
In der an die Übergangsphase
anschließenden
Warmhaltephase bis zum Ende des Kochvorgangs erfolgt das Öffnen und
Schließen
der Dampfzufuhr in einem annähernd
periodischen Takt, wobei es jeweils für etwa 2 bis 3 Sekunden geöffnet und
anschließend
für etwa 5
bis 7 Sekunden geschlossen wird. Während der Warmhaltephase wird
die Temperatur in der Kochkammer 2 durch die Regelung der
Dampfzufuhr konstant gehalten, bis der Kochvorgang nach dem Erreichen
der vorgegebenen Kerntemperatur in der Ware abgebrochen wird.
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Durch
die intermittierende Zufuhr des Sattdampfs während der Warmhaltephase wird
sichergestellt, dass nur die zur Aufrechterhaltung der Kammertemperatur
erforderliche Wärmemenge
durch Injektion von Sattdampf in die Kochkammer zugeführt wird.
Da bei geöffnetem
Absperrventil stets eine gleichbleibende Sattdampfmenge pro Zeiteinheit
in die Kochkammer 2 zugeführt wird, ändert sich außerdem die
Austrittsgeschwindigkeit des Sattdampfs an der Beschleunigerdüse nicht,
so dass die Verwirbelung des Sattdampfs mit der Kammerluft und die
Umwälzung
des Sattdampf/Luftgemischs während
der Sattdampfinjektionstakte nicht beeinträchtigt wird.
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Allerdings
kommt es bei geschlossenem Absperrventil jeweils zu einem abklingen
der Zirkulation in der Kochkammer 2, wobei sich die Strömungsgeschwindigkeit
stark verlangsamt. Um ein Abreißen der
Zirkulation zu verhindern, darf die Dampfzufuhr nicht länger als
etwa 10 Sekunden unterbrochen werden, was durch eine entsprechende
Einstellung des P-Anteils am Steuergerät des PID-Reglers erreicht werden
kann.