A novel, resource-efficient baking oven technology with product-adaptable thermal radiation and modulation dynamic

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2019-10-14
Issue Year
2019
Authors
Jovičić, Vojislav
Editor
Abstract

Food industry is commonly among the top ten energy most intensive industrial branches. Its annual energy requirements record constant increase. Within the food industry, bakeries are one of the largest energy consumers, due to the energy requirements of the baking ovens, which account for more than a half of the total energy required in the whole production process. The baking oven, a key element of every bakery, directly influences the time and energy efficiency of the production process itself, but also the quality and the cost of the final product. Due to the strict food safety and quality regulations and requirements, improvement of the existing processes is usually related to the significant technical, ecological and economical challenges. In the frame of here presented work, an innovative baking oven concept is proposed and developed. The core of this novel baking oven is an employment of the specific properties of the volumetric ceramic burners (VCB) in order to improve overall baking process performances. The VCB principles of operation, its features and characteristics of NIR thermal emissions are discussed in order to provide the basic understanding of the proposed concept and properties of the developed baking oven prototype. With the help of the innovative Validated Virtual Engineering (VVE), a fully functional prototype of the novel baking oven in industrial scale size is designed. In this way, costly conventional trial-and-error procedures are avoided. The simulation tools enable virtual analysis of various constructional and operational modifications of the baking oven. Amongst others, the influence of the burners shape and their planar distribution, the influence of the quartz glass in front of the burners and the design of the exhaust gas guiding system and its recirculation, were investigated. The validation experiments proved i.a. the operating stability of the designed prototype in a wide power and air-fuel equivalence ratio range, the homogeneity of the thermal radiation and the uniform temperature distribution over the baking plates. This novel, VCB-based, gas-powered, deck oven combines the advantages of near-infrared (NIR) thermal radiation, mainly in the wavelength range of 1.3-1.7 μm, with the unique control dynamics, enabling fast power adjustment to the production process requirement. Furthermore, new findings were extracted out of the numerous experimental investigations, regarding the influence of the novel VCB-based baking oven concept on the product quality and improved energy efficiency, production ecology and economy of the baking process. Using 800 g wheat bread loaves, baking properties of the newly developed oven were compared with the baking properties of the conventional electric deck oven of the same size and geometry. The analysis showed that the VKB oven provides the baked goods of the comparable quality and similar sensory properties i.a. crust thickness, desired crust color, crumb porosity, taste, smell, elasticity, etc. In addition, the VCB-based baking oven reduces preheating and baking time of up to 20 %. The resulting reduced fuel input and the use of gas heating instead of electrical energy provide the significant saving of the primary energy and reduction of CO2 emis-sion. The presented results demonstrate the suitability of the innovative baking oven concept with regard to the product quality, process economy and ecology. At the same time, they confirm the high untapped potential of the application of the porous VCB technology in the food industry.

Abstract

Die Lebensmittelindustrie gehört allgemein zu den zehn energieintensivsten Industriebranchen. Der jährliche Energiebedarf dieser Industrie verzeichnet einen konstanten Anstieg. In der Lebensmittelindustrie sind Bäckereien eine der größten Energieverbraucher aufgrund des Energiebedarfs der Backöfen. Diese benötigen mehr als die Hälfte der gesamten Energie in der Produktionskette. Der Backofen, das Schlüsselele-ment jeder Bäckerei, hat sowohl direkten Einfluss auf Zeit- und Energieeffizienz des Produktionsprozesses, als auch auf die Qualität und die Kosten des fertigen Produkts. Aufgrund der strengen Vorschriften und Anforderungen der Lebensmittelsicherheit und Lebensmittelqualität hängt eine Verbesserung der bestehenden Prozesse in der Regel mit signifikanten technischen, ökologischen und wirtschaftlichen Herausforde-rungen zusammen. Im Rahmen der hierbei vorgestellten Arbeit wird ein innovatives Backofen-Konzept vorgeschlagen und entwickelt. Der Kern dieses neuartigen Backofens besteht in der Anwendung der spezifischen Eigenschaften des volumetrischen keramischen Brenners (VKB) um die Gesamtleistung des Backprozesses zu verbessern. Die VKB-Betriebsprinzipien, die Merkmale und die Charakteristik der Nah-Infraroten (NIR)-Wärmeabgabe werden vorgestellt, um ein Grundverständnis des vorgeschlagenen Konzepts und der Eigenschaften des entwickelten Backofen-Prototyps darzustellen. Mit Hilfe des innovativen Validated Virtual Engineering (VVE) ist ein voll funktionsfähiger Prototyp des neuartigen Backofens im industriellen Maßstab entworfen worden. Auf diese Weise konnten herkömmliche und kostspielige Erprobungsverfahren vermieden werden. Die Simulationswerkzeuge erlauben eine rein virtuelle Analyse von verschiedenen Konstruktions- und Betriebsmodifikationen des Backofens. Untersucht wurden unter anderem der Einfluss der Brennerform und deren planaren Verteilung, der Einfluss des Quarzglases vor den Brennern und das Design des Abgasführungssystems und dessen Rückführung. Die Validierungsexperimente bestätigten unter anderem, die Betriebsstabilität des ent-worfenen Prototyps in einem breiten Leistungs-Spektrum und Luft-Brennstoffgemisch, die Homogenität der Wärmestrahlung und einer gleichmäßigen Temperaturverteilung über die Backplatte. Dieser neuartige, VKB-basierende, gasbetriebene Etagenofen kombiniert die Vorteile der NIR Wärmestrahlung, hauptsächlich im Wellenlängenbereich von 1.3-1.7 μm, mit der beispiellosen Steuerungsdynamik und ermöglicht schnelle Leistungsanpassungen an die Produktionsprozessanforderungen. In intensiven experimentellen Untersuchungen wurden wichtige neue Erkenntnisse über den Einfluss des neuartigen VKB-Backofenkonzepts auf die Produkt-Qualität und die verbesserte Energieeffizienz, Produktionsökologie und –Ökonomie des Backprozesses, gewonnen. Bei 800 g-Laibe Weizenbrot wurden die Backeigenschaften des neuentwickelten Ofens mit den Backeigenschaften eines herkömmlichen elektrischen Etagenofens der gleichen Größe und Geometrie verglichen. Die Analyse hat gezeigt, dass der VKB-Ofen die Backwaren mit vergleichbarer Qualität und ähnliche sensorische Eigenschaften wie Bei-spielsweise Krustendicke, gewünschte Krustenfarbe, Krumenporösität, Geschmack, Geruch, Elastizität, usw., liefert. Zusätzlich ermöglicht der VKB basierende Backofen eine Einsparung der Vorheiz- und Backzeit bis zu 20 %. Die daraus resultierende Brennstoffeinsparung und die Verwendung von Gas anstelle von elektrischer Energie führen zu erheblichen Primärenergieeinsparungen und CO2 Emissionssenkung. Die vorgestellten Ergebnisse demonstrieren die Eignung des innovativen Backofenkonzepts in Bezug auf Produktqualität, Prozessökonomie und Ökologie. Des Weiteren bestätigen die Ergebnisse das große ungenutzte Potential der Anwendung der VKB-Technologie in der Lebensmittelindustrie.

DOI
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