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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Garen von Gargut mit einem
Heißumluftgerät oder einem Heißluftdämpfer
sowie ein Heißumluftgerät oder einen Heißluftdämpfer,
der zum Durchführen eines solchen Verfahrens eingerichtet
ist.
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Die
DD 292 367 A5 schlägt
ein gewerbliches Garverfahren für Fleisch vor, wobei das
Garen in drei Phasen erfolgt. In allen drei Phasen wird die Heißluftheizung
intervallmäßig ausgeschaltet, wobei die Pausen
in der ersten Phase maximal 20 Sekunden betragen, in der zweiten
Phase 30 bis 180 Sekunden, in der dritten Phase schließlich
wieder weniger als 20 Sekunden. Die erste und dritte Phase sollen
jeweils etwa 1/6 bis 1/20 der gesamten Garzeit ausmachen, den Rest
soll die zweite Phase ausmachen.
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In
der
DE 22 57 795 A1 wird
die Überlagerung von konvektiver Wärmeübertragung
durch umgewälzte Heißluft vorgeschlagen.
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Das
Prinzip der Überlagerung von Heißluftumwälzung
mit Strahlungsintervallen wird in der
DE 23
06 265 so modifiziert, dass das Heißluftgebläse und
die Luftheizkörper während der Wärmestrahlungsimpulse
abgeschaltet werden.
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Die
DE 41 15 489 A1 schlägt
eine Vorrichtung vor, welche die Heizenergie schon vor Erreichen eines
eingestellten Endwertes für die Kerntemperatur abschaltet.
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In
der
DE 10 2007
036 513 A1 wird ein Verfahren vorgestellt, bei welchem
das Heizen 1 K vor einer Soll-Kerntemperatur beziehungsweise einen gewissen
prozentualen Anteil vor einer berechneten Garendzeit beendet wird.
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Die
US 7,232,978 B2 offenbart
ein Verfahren, bei welchem gegen Ende des Garvorgangs die Garraumtemperatur
schrittweise hin zur Soll-Kerntemperatur reduziert wird.
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Der
hier vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes
Garverfahren und einen verbesserten Heißluftdämpfer
zur Verfügung zu stellen.
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Nach
einem ersten Aspekt dieser Erfindung löst diese Aufgabe
ein Verfahren zum Garen von Gargut mit einem Gargerät,
wobei das Gargerät eine Heißluftheizung und einen
Lüfter aufweist, wobei während des Garens die
Heißluftheizung und der Lüfter zusammen pulsierend
eingeschaltet werden.
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Begrifflich
sei zunächst folgendes erläutert:
Die hier
relevanten Garverfahren sollen insoweit „automatisiert” sein,
als dass über einen Sensor ein Abbruchkriterium für
den Garvorgang überwacht wird. Dies kann in vielen Fällen
ein Kerntemperaturfühler sein. Auch andere Sensoren kommen
in Betracht, insbesondere jedoch eine Zeitmessuhr für solche Garprozesse,
welche über die Garzeit geregelt werden.
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Die „Heißluftheizung” wird
zur Wärmeübertragung auf das Gargut so eingesetzt,
dass die Wärmeübertragung im überwiegenden
Maße durch erzwungene Konvektion erfolgt. Sie ist also
insbesondere nicht ein Wärmestrahler, wie zum Beispiel
aus der
DE 23 06 265
A1 bekannt ist. Insbesondere soll genau eine Heizungsart
im Verfahren verwendet werden, nämlich die Heißluftheizung.
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Als „Heißluftheizung” soll
diejenige Einrichtung verstanden werden, welche maßgebend
zum Aufheizen des Garraums verwendet wird. In den meisten Fällen
wird dies bei den gewerblichen Gargeräten ein elektrischer
Rohrheizkörper oder ein Gaswärmetauscher sein.
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Der „Lüfter” hingegen
sorgt für die Konvektion im Garraum, im Falle eines Heißluftdämpfers
also für ein Umwälzen der Luft im Garraum, wodurch
im Falle eines Heißluftdämpfers der heiße
Dampf im Garraum umher transportiert wird.
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Die
Erfindung basiert auf einer bahnbrechenden Erkenntnis: Der Erfinder
hat zahlreiche Versuche mit intervallartig pulsierender Energiezu fuhr
beim Garen gemacht. Hierbei hat sich herausgestellt, dass das Gargut
auch ohne durchgehende Energiezufuhr ohne Zeitverlust gart.
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Zwar
hat auch die
DD 292
367 A5 schon die Heizung intervallweise eingesetzt, jedoch
wurde der Lüfter immer konstant betrieben. Nach der jetzigen Erkenntnis
ist dies der Grund dafür, dass in der
DD 292 367 A5 nur ein sehr
geringer Anteil an Energie eingespart werden kann.
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Mit
dem hier vorgestellten Garverfahren hingegen konnte der Erfinder
im Vergleich zu herkömmlichen Garverfahren bis zu 30% an
Energie einsparen.
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Interessanterweise
hat sich zusätzlich gezeigt, dass sich der Garprozess gerade
beim Garen von Fleisch mit pulsierender Energiezufuhr, also mit reduzierter
Heizung und Lüftung, nicht verlängert.
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Es
versteht sich, dass selbst bei herkömmlichen Garverfahren,
welche mit im Wesentlichen konstanter Garraumtemperatur arbeiten,
in gewisser Weise ein „Pulsen” der Energiezufuhr
vorliegt. Dies liegt daran, dass bei der Regelung einer Garraumtemperatur
eine technische bedingte Hysterese auftritt. In der Praxis sind
dies jedoch nur wenige Prozent der Garraumtemperatur, beispielsweise
2% der Soll-Garraumtemperatur. Eine solch kleine, technisch bedingte
Hysterese, die bei den Gargeräten üblicherweise
auftritt, soll in der hier vorliegenden Patentanmeldung nicht als „Pulsieren” verstanden
werden.
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Bei
Prototypenversuchen zur hier vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt,
dass das Pulsieren von Heißluftheizung und Lüfter
bevorzugt synchron erfolgt. Dies bedeutet, dass Heißluftheizung und
Lüfter zeitgleich oder zumindest sehr zeitnah in ihren
Leistungen geändert werden.
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Beim
Pulsieren wird zwischen Energiezufuhrimpulsen eine Pausenzeit gesetzt.
In der Pausenzeit kann die Energiezufuhr entweder reduziert aufrecht erhalten
oder gestoppt werden.
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Die
Versuche des Erfinders haben gezeigt, dass die meiste Energie eingespart
werden kann, wenn während der Pausenzeit die Energiezufuhr vollständig
gestoppt wird, wenn also sowohl Heißluftheizung als auch
Lüfter während der Pausenzeit ausgeschaltet werden.
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Schon
aus Sicherheitsgründen für die Heißluftheizung
mit Blick auf eine mögliche Überhitzung empfiehlt
es sich in den meisten konstruktiven Ausgestaltungen, dass der Lüfter
immer dann läuft, wenn die Heißluftheizung eingeschaltet
ist.
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Gleichzeitig
scheint es für das Gargut von Vorteil zu sein, wenn der
Lüfter nicht ohne die Heißluftheizung läuft,
denn bei aufrechterhaltener Umluft im Garraum und ausgeschalteter
Heißluftheizung besteht die Gefahr, dass die Garraumtemperatur schneller
abfällt und dass Energie vom Gargut abgezogen wird, was
den Garprozess verlangsamen könnte.
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Es
hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn das Pulsieren
nicht sofort mit dem Beginn des Garprozesses gestartet wird, sondern
dass das Pulsieren erst dann begonnen wird, wenn beim Garen etwa
ein Drittel bis drei Viertel einer Soll-Kerntemperatur und/oder
einer Soll-Gardauer erreicht sind, insbesondere etwa die Hälfte.
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Hinsichtlich
der Impulsphase selbst wird vorgeschlagen, dass das Pulsieren mit
einer Pausenzeit von 2 Minuten bis 5 Minuten erfolgt. Als besonders gut
haben sich Pausenzeiten von 2,5 bis 3,5 Minuten bei Versuchen herausgestellt,
insbesondere eine Pausenzeit von etwa 3 Minuten nach jedem Energiezufuhrimpuls.
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Die
Energiezufuhrdauer pro Impuls kann beispielsweise zwischen 10 Sekunden
und drei Minuten betragen, bevorzugt jedoch kürzer sein
als die Pausenzeit. Als besonders vorteilhaft haben sich in Versuchen
Impulsdauern von einer Viertelminute bis zu einer Minute herausgestellt,
insbesondere eine halbe Minute.
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Der
Erfinder hat sehr erfolgreiche Versuche mit Energiezufuhrdauern
von etwa einer halber Minute mit Pausenzeiten von etwa drei Minuten
gemacht.
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Alternativ
zum Regeln der Pausen über eine reine Zeitmessung wird
vorgeschlagen, dass das Pulsieren der Heizung über eine
softwaretechnisch vergrößerte Hysterese der Garraumtemperaturregelung
geregelt wird. Als besonders geeignet hat sich herausgestellt, wenn
die Regelung eine Hyste rese von mindestens 5% zulässt,
bevorzugt von über 10%, insbesondere von etwa 20%, der
aktuellen Garraumtemperatur, bezogen auf die Soll-Garraumtemperatur.
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Nach
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung löst die
gestellte Aufgabe ein Verfahren, insbesondere wie vorstehend beschrieben,
zum Garen von Gargut mit einem Gargerät unter Regelung
anhand einer Ist-Kerntemperatur, wobei die Energiezufuhr bei mindestens
2 Kelvin unterhalb der gewünschten Soll-Kerntemperatur
reduziert, ausgeschaltet oder nicht mehr eingeschaltet wird. Insbesondere
soll die Energiezufuhr sogar mehr als 3 Kelvin, vor allem zwischen
3 und 5 Kelvin, vor Erreichen der Soll-Kerntemperatur reduziert,
ausgeschaltet oder nicht mehr eingeschaltet.
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Durch
das frühe Reduzieren, insbesondere das vollständige
Abschalten, der Energiezufuhr zum Gargut, nämlich deutlich
vor Ende des eigentlichen Garvorgangs, kann abermals Energie eingespart werden.
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Der
Erfinder hat festgestellt, dass das Gargut selbst nach vollständigem
Abschalten der Energiezufuhr in seinem Kern weiter Energie zugeführt
bekommt. Dies geschieht über Wärmetransport von den äußeren,
stärker erhitzten Bereichen des Garguts hin zum zentralen,
kühleren Kern des Garguts.
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Dieser
Prozess ist so sicher vorhersehbar, dass bei geeigneten Rahmenbedingungen
in jedem Fall die Kerntemperatur des Garguts noch um mehrere °Kelvin
ohne Zeitverlust weiter ansteigt, ohne dass von außen weitere
Energie zugeführt werden muss.
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Nach
bisheriger Erkenntnis scheint es für das Garverfahren vorteilhaft
zu sein, dass die Temperatur im Garraum nicht auf ein Niveau abfällt,
welches niedriger als die Außentemperatur des Garguts ist. Dann
würde das Gargut wieder Wärme an den Garraum abgeben.
Solange jedoch ein Temperaturgefälle von den äußeren
Bereichen des Garguts hin zum Kern existiert, fließt Wärmeenergie
hin zum Kern des Garguts.
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Nach
einem dritten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung löst
die gestellte Aufgabe ein Verfahren zum Garen von Gargut mit einem
Gargerät, wobei das Gargerät eine Heißluftheizung
und einen Lüfter aufweist, wobei das Garen in drei Phasen
erfolgt:
- a. In einer ersten Phase wird eine
vorgewählte Solltemperatur im Garraum aufrechterhalten,
wobei eine technisch bedingte Regelhysterese auftritt.
- b. In einer zweiten Phase wird eine Energiezufuhr im Garraum
pulsierend eingesetzt, insbesondere wie vorstehend zum ersten Aspekt
der Erfindung beschrieben.
- c. In einer dritten Phase schließlich wird eine Energiezufuhr
bis zu einem Ende des Garens reduziert, abgeschaltet oder nicht
wieder eingeschaltet, insbesondere wie vorstehend zum zweiten Aspekt
der Erfindung beschrieben.
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In
der hier vorliegenden Erfindung wird vor allem durch zwei Verfahrensweisen
Energie eingespart, einerseits durch das Pulsieren, andererseits durch
das vorzeitige Abschalten der Energiezufuhr. Bei einem Kombinieren
dieser Verfahrensweisen in einem dreistufigen Garverfahren addieren
sich die erreichbaren Vorteile.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand einer Beschreibung zweier gegenübergestellter
Versuche gemäß Normentwurf DIN 18873-1 näher
erläutert. Hierzu zeigen
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1 einen
simulierten Garprozess an feuchten Normziegelsteinen und
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2 zum
Vergleich einen simulierten Garprozess unter Einsatz der Erfindung
an identischen feuchten Norm-Ziegelsteinen.
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In
einem ersten Diagramm 1 sind Messwerte aus einem ersten
Versuch aufgetragen. Es wurden Norm-Ziegelsteine, genauer ein Hipor-Steine,
einem Erwärmungsprozess unterworfen, der einen Garprozess
simuliert.
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Gemessen
wurden die umgebende Raumtemperatur des Gargeräts, aufgetragen
auf einer Kurve 2, sowie die Temperatur in einer Mitte
des Normsteins, aufgetragen auf einer Kurve 3.
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Zusätzlich
wurde in einer Kurve 4 dargestellt, ob die Energiezufuhr,
also Heißluftheizung und Lüfter, eingeschaltet
waren (Sprung der Kurve 4 nach oben) oder ausgeschaltet
waren (Sprung der Kurve 4 auf Null).
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Die
Abszisse zeigt die Zeit des Versuchs in Minuten. Die beiden Temperaturkurven 2, 3 sind
auf der Ordinate in °C aufgetragen.
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Die
Garraumtemperatur wurde im Wesentlichen konstant gehalten. Erkennbar
ist dies daran, dass die Energiezufuhr über den gesamten
Zeitraum kontinuierlich taktete, nämlich ungefähr
mit 30 Sekunden Heizzeit und 60 Sekunden Pause im Wechsel. Der Lüfter
war die ganze Zeit in Betrieb.
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Die
erforderliche Garzeit von einer Kerntemperatur des Steins in Höhe
von 21°C bis zu einer Erhöhung auf 81°C
betrug 24 Minuten und 49 Sekunden. Insgesamt wurden 2,47 kWh an
Energie verwendet.
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Im
zweiten Versuch wurden mehrere identische, feuchte Normziegelsteine
verwendet. Die umgebende Raumtemperatur beim Versuch war praktisch
gleich wie zuvor. Sie ist im zweiten Diagramm 10 auf der
praktisch gleichen Kurve 2 über die Versuchsdauer
aufgetragen.
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Im
zweiten Versuch wurde allerdings nach einer anfänglich
identischen Heißluftheizungsschaltung (etwa 21,5 Minuten
lang), also etwa 12,5 Minuten nach Erreichen der 21°C-Marke
in der Kerntemperatur 3', zu einer pulsierenden Energiezufuhr übergegangen.
Konkret wurde in einer ersten Pause 11 die Energiezufuhr,
also sowohl Heißluftheizung als auch Lüfter, für
etwa drei Minuten ausgesetzt. Nach einem darauf folgenden ersten
Energiezufuhrimpuls 12 wurde eine zweite Pause 13 von
etwa drei Minu ten Pausendauer eingelegt. Daraufhin ist ein weiterer Energiezufuhrimpuls 14 von
etwa einer halben Minute Dauer geschaltet worden.
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Anschließend
wurde in einer Restgarzeit 15 keine Energie mehr zugeführt,
also Heißluftheizung und Lüfter angehalten. Diese
Phase betrug knapp über 5 Minuten.
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Der
Verlauf 3' der Kerntemperatur im zweiten Versuch zeigt,
dass die Kerntemperatur trotz der deutlich verringerten Energiezufuhr
nach Abschluss einer ersten Garphase 16 auch in einer zweiten
Garphase 17 und einer dritten Garphase 18 nach
wie vor unvermindert anstieg, wobei in der Garphase 18 keinerlei
Energie mehr zugeführt wurde. Im zweiten Versuch dauerte
der Anstieg der Kerntemperatur von 21°C auf 81°C
genau 25 Minuten und 4 Sekunden. Dies liegt nur 15 Sekunden über
dem ursprünglichen Versuch.
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Der
simulierte Garprozess mit den feuchten Norm-Ziegelsteinen hat also
in beiden Versuchen zu praktisch gleicher Gardauer geführt.
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Beim
Einsatz von organischem Gargut, insbesondere beim Garen von Fleisch,
hat sich in Versuchen sogar gezeigt, dass mit einem pulsierenden Garverfahren
die Garzeit verkürzt werden kann, also Zeit eingespart
werden kann.
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Selbst
mit den Norm-Ziegelsteinen wurde allerdings eine erhebliche Energieeinsparung
erreicht: Im zweiten Versuch, dargestellt in Diagramm 10,
wurden nur knapp 71% der Energie aus dem ersten Versuch, dargestellt
im Diagramm 1, benötigt.
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Im
Garverfahren mit pulsierender Energiezufuhr und früherer
Abschaltung konnten damit ca. 30% der gesamten notwendigen Garenergie
eingespart werden.
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Es
wurde nicht nur Energie bei gleicher Gardauer eingespart, sondern
es ist als Nebeneffekt mehr Feuchtigkeit im Norm-Ziegelstein verblieben. Dies
ist nicht nur für gewerbliche Garunternehmen relevant,
welche hierdurch eine größere Masse an Produkt
erhalten können und das Produkt nach Masse verkaufen, vielmehr
wird auch der Wasserverbrauch gesenkt, denn im Abfluss des Gargeräts muss
weniger Abwasser heruntergekühlt werden.
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Im
vorgestellten Vergleichsversuch wurden sämtliche Erfindungsaspekte
kombiniert angewendet:
In der ersten Garphase 16 wurde
der Garraum konventionell auf einer vorgewählten Temperatur
gehalten, mit nur technisch bedingter Hysterese. In der zweiten
Phase 17 wurden Heißluftheizung und Lüfter synchron
nur noch periodisch eingeschaltet, in einigen Versuchen mit einer
Pausenzeit von etwa 3 Minuten, in anderen Versuchen mit einer größeren
Hysterese von zirka 20%. In der dritten Phase 18 schließlich
wurde die Energiezufuhr, also Heißluftheizung und Lüfter,
nicht mehr eingeschaltet.
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Die
zweite Phase 17 wurde nach etwa der Hälfte der
zu erwartenden Gardauer begonnen.
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Hier
wäre es auch ohne weiteres denkbar gewesen, die zweite
Phase dann einzuleiten, wenn die gemessene Kerntemperatur ein bestimmtes
Verhältnis zur Soll-Kerntemperatur annimmt, beispielsweise
die Hälfte der Soll-Endkerntemperatur.
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Die
vorliegenden Erfindungsaspekte lassen sich sowohl in Gargeräten
mit Kerntemperaturfühler als auch in Gargeräten
ohne Kerntemperaturfühler hervorragend einsetzen. Bei einem
Gargerät ohne Temperaturfühler dient die vorgesehene
Garzeit als Maßgabe für die Einleitung der Phasen.
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In
der Praxis gibt es verschiedene Regelkriterien für den
Garprozess, zum Beispiel Zeit, Kerntemperatur und/oder eine bestimme
Gaskonzentration.
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So
lässt sich – wie bereits dargelegt – bei
jedem Garverfahren eine pulsierende Phase der Energiezufuhr nach
einem bestimmten Verhältnis zur Soll-Kerntemperatur oder
nach einer bestimmten Zeit oder nach einer bestimmten Gaskonzentration
einleiten.
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Warum
mit den hier vorgestellten Verfahren eine so erhebliche Menge an
Energie eingespart werden kann, lässt sich wie folgt erklären:
Abhängig
von Größe und Substanz des Garguts ist eine bestimmte
Menge Energie notwendig, um dieses Gargut zu garen. Diese Energie
kann bei einem Heißluftdämpfer oder einem Heißumluftgerät
am effektivsten bei hoher Luftgeschwindigkeit und Temperatur auf
das Gargut übertragen werden. Als Garkriterium wird vorzugsweise
die Kerntemperatur verwendet. Wenn die notwenige Menge Energie in
die äußeren Schichten des Garguts eingebracht
ist, genügt das Temperaturgefälle innerhalb des
Garguts, um den Kern auf die gewünschte Soll-Kerntemperatur
zu erwärmen. In dieser zweiten Phase des Garvorgangs kann
die Energiezufuhr auf das Gargut deutlich verringert werden. Es
sollte in dieser Phase nur verhindert werden, dass das Gargut wieder
Wärme an seine Umgebung abgibt.
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Hinsichtlich
des vorzeitigen Abschaltens der Energiezufuhr hat sich bei Fleisch
herausgestellt, dass dies bereits 3 bis 5 Kelvin unterhalb der gewünschten
Soll-Kerntemperatur erfolgen kann.
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In
der ersten Phase des Garprozesses, die beispielsweise bis zur Hälfte
der gewünschten Soll-Kerntemperatur dauern kann, also bis
zum Beispiel 30°C bis 35°C, werden an der Fleischoberfläche zudem
bei relativ großer Energiezufuhr die Poren geschlossen,
was ein verstärktes Austreten des Fleischsaftes verhindern
kann.
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Somit
führt die hier vorgestellte Erfindung zu einer Erhöhung
des Kochwirkungsgrads, zu einer Energieeinsparung bei gleicher oder
sogar kürzerer Gardauer und zu einer Verringerung des Masseverlustes.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DD 292367
A5 [0002, 0016, 0016]
- - DE 2257795 A1 [0003]
- - DE 2306265 [0004]
- - DE 4115489 A1 [0005]
- - DE 102007036513 A1 [0006]
- - US 7232978 B2 [0007]
- - DE 102006057923 A1 [0008]
- - DE 2306265 A1 [0012]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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