TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Vakuumkühlung. Sie betrifft eine Vakuumkühlanlage gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vakuumkühlanlage. STAND DER TECHNIK

Die Abkühlung von gebackenen oder vorgebackenen Backwaren in einer Vakuumkammer durch verdampfendes Absaugen der in den Backwaren enthaltenen Feuchtigkeit ist in der Backtechnologie seit langem bekannt.

Unter Backwaren sollen dabei im weiteren Sinne Gebäckprodukte verschiedenster Art verstanden werden, z.B. Brot, Brötchen, sonstiges Kleingebäck, Pizza und Kuchen, die wesentliche Eigenschaften durch eine thermische Behandlung (Backen ) bekommen. Eingeschlossen sind aber auch Produkte, die als tiefgefrorene Teiglinge aufgetaut und gebacken werden und Produkte, die zunächst zu einem bestimmten Prozentsatz vorgebacken und dann, beispielsweise in Verkaufsfilialen oder auch von Endkunden , fertig gebacken werden.

An solche Backwaren werden verschiedene Anforderungen gestellt. Beispielsweise soll das in den Verkaufsfilialen angebotene Brot frisch sein und eine knusprige Kruste aufweisen. Außerdem sollte das Brot auch auf Kundenwunsch schnittfähig sein, um unmittelbar vor dem Verkauf im Beisein des Kunden geschnitten zu werden. Beim auf das Backen folgenden Kühlprozess werden dem Backprodukt einige Prozent des Gesamtgewichtes an Produktfeuchte entzogen. Dieser Feuchtigkeitsentzug kann durch entsprechende Prozessanpassung des Backprozesses, beispielsweise durch kürzere Backzeiten, kompensiert werden, was jedoch häufig Nachteile anderer Art nach sich zieht. So kann es z. B. passieren, dass durch verkürzte Backzeiten auch die Bildung vor allem von Röstaromen in der Kruste reduziert wird. Diese Aromen entstehen aufgrund der bekannten Maillard-Reaktion, einer nichtenzymatischen Bräunungsreaktion, die für das typische Aroma und die Färbung von eiweißreichem Gerösteten , Gebackenen und Gebratenen verantwortlich erst, in den letzten M inuten einer Backphase.

Die üblichen auf dem Markt erhältlichen Vakuumkühlsysteme zum Abkühlen von Lebensmitteln, insbesondere heissen Backwaren, weisen ein wesentliches gemeinsames Merkmal auf: Der Druckverlauf wird mit einem Ventil geregelt, das im Verbindungsrohr zwischen der Vakuumkammer und der Vakuumpumpe angeordnet ist, während die Vakuumpumpe mit konstanter oder nur wenig ändernder Drehzahl läuft (siehe z.B. die GB 1 41 3 481 A oder die EP 0 006 290 A 1 oder DE 25 07 003 A1 ) .

Diese Lösung basiert auf der gängigen Technik zum Regeln von Fluidströmen (Gas bzw. Flüssigkeiten ) und nimmt auf die Tatsache Rücksicht, dass die relativ grossen Vakuumpumpen ein entsprechend grosses Masseträgheitsmoment besitzen. Typischerweise werden ölgeschmierte Drehschieberpumpen oder Trockenschraubenpumpen eingesetzt.

Viele Vakuumkühlanlagen arbeiten auch mit Kondensatoren. So wird ein Teil des während des Vakuumkühlprozesses anfallenden Dampfes mittels eines aktiv gekühlten Kondensators ausgeschieden, was die Arbeitslast für die Vakuumpumpe reduziert, weil nicht die gesamte Dampfmenge über die Pumpe abtransportiert zu werden braucht. Der Kondensator befindet sich im Dampfstrom zwischen Vakuumkammer und Vakuumpumpe (siehe z.B. die EP 2 1 77 851 A1 ).

Der Einsatz eines Kondensators erlaubt es, kleinere und günstigere Vakuumpumpen zu verwenden; die thermische Abkühlarbeit wird aber nicht reduziert ( 1 . Hauptsatz der Thermodynamik), dem geringeren Energiekonsum der kleineren Pumpe steht ein höherer Energiebedarf durch die aktive Kühlung des Kondensators gegenüber.

Ökonomisch ist die Kombination von Kondensator und kleinerer Vakuumpumpe vorteilhaft, sofern ohnehin eine wassergekühlte Vakuumpumpe eingesetzt wird, weil sich der nötige Wasserkühler (Chilier) auch zur Kühlung des Kondensators verwenden lässt. Die Einsparung durch die kleinere Pumpe und die Mehrkosten für den Kondensator ergeben insgesamt eine Einsparung.

Die Nachteile des Kondensators sind die höhere Komplexität des ganzen Systems, verbunden mit zusätzlichem Reinigungsaufwand. Aus hygienischer Sicht ist ein Kondensator nicht die erste Wahl, weil die Feuchtigkeit im Kondensatbehälter grundsätzlich ein Verschmutzungsrisiko darstellt.

Die für die Vakuumkühlung notwendige hochdynamische Druckregelung ausschliesslich über die Variation der Pumpendrehzahl zu realisieren, ist wegen des Trägheitsmomentes obiger Pumpentypen nur begrenzt möglich.

So offenbart die Druckschrift EP 2 832 242 A1 ein Verfahren zur Regelung einer Vakuumkühlvorrichtung zur Kühlung eines Lebensmittels, insbesondere von heissen Backwaren. Die Vakuumkühlvorrichtung enthält eine Vakuumkammer zur Aufnahme des Lebensmittels. Diese Vakuumkammer wird mit zu kühlenden Lebensmitteln beschickt, wobei dem Lebensmittel ein Kühlprogramm zugeordnet wird, die Vakuumkammer geschlossen wird, eine Vakuumpumpe in Betrieb genommen wird, um die Vakuumkammer zu evakuieren. Der Druck in der Vakuumkammer wird mit einem Druckmessgerät erfasst, oder es erfolgt eine Temperaturmessung in der Vakuumkammer und aufgrund der Temperaturmessung wird der Druck geregelt. Das Druckmessgerät wandelt den Druck in ein Druckmesssignal um. Das Druckmesssignal wird einer Regeleinheit zugeführt. Die Regeleinheit enthält ein Speicherelement, wobei das Speicherelement das Kühlprogramm für jedes zu kühlende Lebensmittel enthält. Das Kühlprogramm enthält einen Solldruckverlauf, wobei der Solldruckverlauf dem gewünschten Druckverlauf der Vakuumkühlung für das zu kühlende Lebensmittel während der Kühlperiode entspricht, wobei zu mindestens einem Zeitpunkt in- nerhalb der Kühlperiode das Druckmesssignal mit dem Solldruck zu diesem Zeitpunkt verglichen wird. Dem Solldruck ist eine Solldrehzahl der Vakuumpumpe zugeordnet. Die Vakuumpumpe ist mit einem Drehzahlmessgerät ausgestattet, um die Drehzahl der Vakuumpumpe zu messen, wobei zu dem mindestens einen Zeitpunkt die Drehzahl der Vakuumpumpe mit der Solldrehzahl verglichen wird und ein Anpassungselement vorgesehen ist, um die Drehzahl an die Solldrehzahl anzupassen.

Die in der EP 2 832 242 A1 beschriebene Lösung macht keine konkreten Angaben über den Pumpentyp, in der Praxis werden jedoch wassergekühlte Trockenschraubenpumpen eingesetzt. Dieser Pumpentyp lässt sich mit unterschiedlichen Drehzahlen betreiben. Allerdings ist die mögliche Variation der Drehzahl sowohl hinsichtlich des nutzbaren Drehzahl- bereichs (ω) als auch bezüglich der Drehzahländerungsgeschwindigkeit (du/dt) limitiert.

Die vorliegende Erfindung macht sich zunutze, dass seit neuestem Vakuumpumpen, insbesondere in Form von sogenannten Klauen-Vakuumpumpen, verfügbar sind, die einerseits ebenfalls trockenverdichtend sind und andererseits über einen dynamischen Servoantrieb verfügen. Das konstruktiv bedingte viel geringere Masseträgheitsmoment der Klauen-Vakuumpumpen, gepaart mit einem dynamischen Servoantrieb, ermöglicht neue Methoden zur Druckregelung. Die bisher nötigen Ventilklappen zur reaktionsschnellen (dynamischen ) Druckregelung sind nicht mehr nötig.

Ferner entwickeln diese neuen, weiterentwickelten Typen von Klauen-Vakuumpumpen weniger Verlustwärme, was es erlaubt, auch bei grossem Saugvermögen ausschliesslich mit Luft zu kühlen. Die übliche Flüssigkeitskühlung (Wasser, Öl) entfällt.

Insgesamt liesse sich so bei Vakuumkühlanlagen die Systemkomplexität signifikant reduzieren. Der Wegfall von Regelventil und Flüssigkeitskühlung erhöhte die Zuverlässigkeit. Die Verwendung der konstruktiv und herstellungstechnisch einfacheren Vakuumpumpen reduzierte die Herstellungskosten. Weiterhin reduzierte der Verzicht auf einen hygienetechnisch fragwürdigen Kondensator die Reinigungs- und Wartungskosten.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Vakuumkühlanlage zu schaffen, welche eine signifikant reduzierte Systemkomplexität aufweist.

Es ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung, eine Vakuumkühlanlage zu schaffen, welche sich du rch eine erhöhte Zuverlässigkeit auszeichnet.

Es ist auch eine Aufgabe der Erfindung, eine Vakuumkühlanlage zu schaffen, welche mit reduzierten Kosten herzustellen und zu betrieben ist.

Es ist schliesslich eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vakuumkühlanlage anzugeben.

Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 1 0 gelöst. Die Erfindung geht aus von einer Vakuumkühlanlage mit einer verschliessbaren Vakuumkammer, deren Innenraum mit abzukühlendem Backgut beschickbar ist, mit wenigstens einer über eine Ansaugleitung mit dem Innenraum der Vakuumkammer in Verbindung stehenden Vakuumpumpe, sowie mit einer Kammersteuerung, mittels derer der Druck in der Vakuumkammer und/oder die Temperatur im Backgut in Abhängigkeit von der Zeit entlang einer vorgegebenen Kurve verändert werden kann

Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vakuumpumpe eine motorgetriebene, drehzahlgeregelte, trockenverdichtende Klauen-Vakuumpumpe ist, dass die Kammersteuerung über eine Motorsteuerung die Drehzahl der wenigstens eine Vakuumpumpe steuert, und dass der Eingang der wenigstens eine Vakuumpumpe direkt mit dem Innenraum der Vakuumkammer fluidtechnisch verbunden ist.

Das konstruktiv bedingte viel geringere Masseträgheitsmoment der Klauen-Vakuumpumpen, gepaart mit einem dynamischen Servoantrieb, ermöglicht neue Methoden zur Druckregelung. Die bisher nötigen Ventilklappen zur reaktionsschnellen (dynamischen) Druckregelung sind nicht mehr nötig.

Derartige motorgetriebene, drehzahlgeregelte, trockenverdichtende Klauen-Vakuumpumpen werden beispielsweise von der Firma Busch, Maulburg ( DE), unter der Bezeichnung„Mink" hergestellt und angeboten. Diese Klauen-Vakuumpumpen haben eine hohe Ansaugleistung und arbeiten absolut öl- und berührungsfrei. Sie haben einen äußerst hohen Wirkungsgrad, der sich positiv auf den Energieverbrauch und die Leistung auswirkt. Durch den berührungsfreien Betrieb arbeiten diese Vakuumpumpen nahezu wartungsfrei. Werden die Klauen-Vakuumpumpen von einem direkt montierten Synchronmotor angetrieben, der über einen Frequenzumrichter mit Strom versorgt wird, kann durch den Betrieb mit dem Frequenzumrichter das jeweilige Saugvermögen an den Prozess angepasst werden, wobei die Nenndrehzahlen beispielsweise zwischen 1 200 und 4200 Umdrehungen pro Minute variieren können. Die Nenn-Saugvermögen dieser Klauen-Vakuumpumpen liegen dabei je nach Typ beispielsweise zwischen 40 m ³ /h und 1 200 m ³ /h.

Eine Ausgestaltung der Vakuumkühlanlage nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vakuumpumpe eine luftgekühlte, trockenverdichtende Klauen-Vakuumpumpe ist.

Da die zur Verfügung stehenden Klauen-Vakuumpumpen weniger Verlustwärme abgeben, ist es möglich, auch bei grossem Saugvermögen ausschliesslich mit Luft zu kühlen. Die übliche Flüssigkeitskühlung (Wasser, Öl) entfällt, wodurch die Anlage vereinfacht und die Betriebskosten verringert werden.

Besonders flexibel lässt sich die Vakuumkühlanlage nach der Erfindung betreiben, wenn mehrere drehzahlgeregelte, luftgekühlte und trockenverdichtende Klauen-Vakuumpumpen mit dem Innenraum der Vakuumkammer fluidtechnisch verbunden sind.

Dabei können mehrere Klauen-Vakuumpumpen parallel geschaltet sein.

Es können aber auch die mehreren Klauen-Vakuumpumpen in Serie geschaltet sein.

In beiden Fällen ist es denkbar, dass die mehreren Klauen-Vakuumpumpen gleichartig sind, also gleich Grösse und gleich Leistung haben. Hierdurch werden Wartung und Reparatur vereinfacht. Es ist aber auch in beiden Fällen denkbar, dass die mehreren Klauen-Vakuumpumpen unterschiedliche Leistungen aufweisen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Vakuumkammer ein Temperaturaufnehmer für das Backgut vorgesehen ist, welcher mit der Kammersteuerung verbunden ist.

Die aufgenommene Temperatur kann dabei zur Steuerung des Abkühlprozesses verwendet werden.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Vakuumkammer ein Drucksensor vorgesehen ist, welcher mit der Kammersteuerung verbunden ist.

Der aufgenommene Druck kann dabei zur Steuerung des Abkühlprozesses, insbesondere auch zur Steuerung der Vakuumpumpen, verwendet werden.

Das erfindungsgemässe Verfahren zum Betrieb einer Vakuumkühlanlage nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a. Öffnen der Vakuumkammer; b. Einbringen des abzukühlenden, heissen Backgutes in den Innenraum der Vakuumkammer; c. gasdichtes Verschliessen der mit Backgut gefüllten Vakuumkammer; d. Abkühlen des Backgutes entlang einer vorgegebenen Abkühlkurve durch Abpumpen der Vakuumkammer mittels der wenigstens einen drehzahlgeregelten Klauen-Vakuumpumpe durch entsprechendes Verändern der Drehzahl der Klauen- Vakuumpumpe; e. Herstellen eines Druckausgleichs in der Vakuumkammer durch Einlassen eines

Gases oder Gasgemischs in die Vakuumkammer; f. Öffnen der Vakuumkammer; und g. Entnehmen des abgekühlten Backgutes aus der Vakuumkammer.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 das vereinfachte Anlagenschema einer Vakuumkühlanlage gemäss einem

Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer einzelnen drehzahlgeregelten, trockenverdichtenden Klauen-Vakuumpumpe; Fig. 2 das vereinfachte Anlagenschema einer Vakuumkühlanlage gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei parallel arbeitenden drehzahlgeregelten, trockenverdichtenden Klauen-Vakuumpumpen gleicher Art; und Fig. 3 das vereinfachte Anlagenschema einer Vakuumkühlanlage gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei in Serie geschalteten drehzahlgeregelten, trockenverdichtenden Klauen-Vakuumpumpen unterschiedlicher Leistung.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt das vereinfachte Anlagenschema einer Vakuumkühlanlage gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer einzelnen drehzahlgeregelten, trockenverdichtenden Klauen-Vakuumpumpe.

Die Vakuumkühlanlage 1 0 der Fig. 1 umfasst eine Vakuumkammer 1 1 , deren Innenraum 1 1 a über eine (nicht gezeigte) schliessbare Tür von aussen zugänglich ist und bei geöffneter Tür mit dem Backgut 1 6 (Brote, Brötchen, Croissants etc.) auf mehreren übereinander angeordneten Ebenen 1 7 befüllt werden kann. Das Backgut 1 6 kann dabei vorgebacken oder auch fertig gebacken sein.

An die Vakuumkammer 1 1 ist über eine Ansaugleitung 23 mit ausreichend grossem Querschnitt eine drehzahlgeregelte, trockenverdichtende Klauen-Vakuumpumpe 1 2 angeschlossen, die Gase und Feuchtigkeit aus der Vakuumkammer 1 1 absaugt, verdichtet und über eine Abgasleitung 24 abgibt. Die Klauen-Vakuumpumpe 1 2 wird durch einen frequenzgeregelten Antrieb angetrieben, der über eine Motorsteuerung 1 4 gesteuert wird.

Die gewünschte Abkühlkurve des heiss in die Vakuumkammer 1 1 eingebrachten Backgutes 1 6 wird durch eine entsprechende Druckabsenkungskurve erreicht. Hierzu wird der momentane Druck in der Vakuumkammer 1 1 mittels eines mit dem Innenraum 1 1 a ver- bundenen Drucksensors fortlaufend gemessen und der gemessene Druck an eine Kammersteuerung 1 3 weitergegeben, die den Druck in der Vakuumkammer 1 1 nach Massgabe einer in einem Speicher 1 5 abgelegten Druckabsenkungskurve über die Motorsteuerung 1 4 und die Antriebsfrequenz bzw. Drehzahl der Klauen-Vakuumpumpe 1 2 steuert.

Die Druckabsenkungskurve kann stetig fallend sein, kann aber auch stufenartig abfallen oder Wendepunkte und Zwischenmaxima aufweisen. Insbesondere können während oder am Ende der Abkühlungsphase Gase oder Gasgemische oder Umgebungsluft in die Vakuumkammer 1 1 eingelassen werden, um den Druckabfall zu beeinflussen und/oder die im Backgut stattfindenden Prozesse zu moderieren. Hierzu können externe Gasquellen 21 , 22 über entsprechende steuerbare Ventile V1 an die Vakuumkammer 1 1 angeschlossen sein. Umgebungsluft kann (insbesondere nach einer Filterung) über das steuerbare Ventil V2 in die Vakuumkammer 1 1 eingelassen werden.

In der Vakuumkammer 1 1 kann zusätzlich ein Temperaturaufnehmer 1 8 vorgesehen werden, der in das abzukühlende Backgut 1 6 eingeführt wird. Dieser Temperaturaufnehmer 1 8 ist mit der Kammersteuerung 1 3 verbunden, so dass beim Abfahren der vorgegebenen Druckabsenkungskurve gleichzeitig die sich tatsächlich im Backgut 1 6 einstellende (innere) Temperatur feststell- und kontrollierbar ist und gegebenenfalls für einen korrigierenden Eingriff in den Kurvenverlauf herangezogen werden kann. Weiterhin ist es denkbar, einen Feuchtesensor 1 9 an der Vakuumkammer 1 1 anzubringen und mit der Steuerung 1 3 zu verbinden. Hiermit kann die Feuchte in der Kammer überwacht und gegebenenfalls Feuchtigkeit, z.B. in Form von Dampf, zugeführt werden, wenn dies erforderlich ist.

Der Aufbau der Anlage vereinfacht sich dadurch, dass drehzahl- bzw. frequenzgeregelte Klauen-Vakuumpumpen mit Luftkühlung eingesetzt werden. Der Einsatz einer dynamischen und drehzahl- bzw. frequenzgeregelten Klauen-Vakuumpumpe mit Luftkühlung ist neu in der Geschichte der Vakuumkühlung, weil die bisher verfügbaren Klauen-Vakuumpumpen nicht den nötigen minimalen Enddruck zu erreichen vermochten, der für die Vakuumkühlung nötig ist. Durch die Kombination von zwei oder mehreren Klauen-Vakuumpumpen gleicher oder unterschiedlicher Baugrösse lassen sich die Anforderungen an den Druckverlauf, die Druckänderungsgeschwindigkeit und den Enddruck elegant und kostengünstig erfüllen. Insbesondere entfallen die teuren Aufwände für die Regelventile und die Flüssigkeitskühlung.

Fig. 2 zeigt das vereinfachte Anlagenschema einer Vakuumkühlanlage 1 0' gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei parallel arbeitenden drehzahlgeregelten, trockenverdichtenden Klauen-Vakuumpumpen 1 2a und 1 2b gleicher Art und Leistung, und Fig. 3 zeigt das vereinfachte Anlagenschema einer Vakuumkühlanlage 1 0" gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei in Serie geschalteten drehzahlgeregelten, trockenverdichtenden Klauen-Vakuumpumpen 1 2a und 1 2b unterschiedlicher Baugrösse und Leistung.

Die Kombination von 2 oder mehr Klauen-Vakuumpumpen erlaubt eine einfache Vergrös- serung des Saugvermögens, ohne dass es wegen der Luftkühlung zu einer thermischen Überlastung kommt. Für kleine Vakuumkammern 1 1 können gemäss Fig. 2 zwei (oder mehr) gleichartige kleinere Klauen-Vakuumpumpen 1 2a, 1 2b mit einem Nenn-Saugver- mögen von z. B. 2 x 80m ³ /h parallel geschaltet werden. Für grössere Vakuumkammern, die im Batchbetrieb betrieben werden, können gemäss Fig. 3 aus denselben Gründen unterschiedlich grosse Pumpen 1 2a, 1 2b (z.B. 1 x 400 m ³ /h + 1 x 1 200 m ³ /h) in Serie geschaltet werden, wobei die grössere Pumpe 1 2b auch durch mehrere parallelgeschaltete kleinere Pumpen ersetzt werden kann (z.B. 1 x 400 m ³ /h + (2 x 630 m ³ /h) ). Im Betrieb laufen üblicherweise alle Pumpen gleichzeitig und teilen sich die Arbeit. Damit an den Ausgängen der Pumpen die in der Abluft vorhandene Feuchtigkeit gezielt aufgefangen werden kann, ist es zweckmässig, in der Abgasleitung 24 einen Kondensatsammler anzuordnen und die dahin führenden leitungsabschnitte mit einer Wärmeisolation zu versehen.

Bezugszeichenliste

10,10',10" Vakuumkühlanlage

11 Vakuumkammer

11a Innenraum

12 Klauen-Vakuumpumpe

12a,b Klauen-Vakuumpumpe

13 Kammersteuerung

14 Motorsteuerung (Vakuumpumpe)

15 Speicher

16 Backgut

17 Ebene

18 Temperaturfühler (zum Einbringen

19 Feuchtesensor (Vakuumkammer)

20 Drucksensor (Vakuumkammer)

21,22 Gasquelle

23 Ansaugleitung

24 Abgasleitung

V1,V2 Ventil