[0001] Die Erfindung betrifft ein Gargerät mit einem Garraum und einem Dampfgenerator. Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Regelung eines Dampfgenerators für ein
Gargerät.
[0002] In Gargeräten werden zur Temperatur- oder Feuchteregelung üblicherweise Schwellwertregler
eingesetzt, weil diese in der Regel ohne spezifische Anpassung an die Gerätegröße,
an die Beheizungsart (Gas oder Elektro) und die Last im Garraum verwendet werden können.
In der Betriebsart Dampf haben Schwellwertregler jedoch gravierende Nachteile, wenn
ein hoher Dampfgehalt im Garraum aufrechterhalten werden soll. Ein Schwellwertregler
regelt zwischen einem oberen Schwellwert und einem unteren Schwellwert hin und her.
Wenn der obere Schwellwert überschritten wurde, wird der Dampfgenerator abgeschaltet.
Anschließend verringert sich durch Kondensieren des Wasserdampfs im Inneren des Garraums
(beispielsweise an zu garenden Produkten) die Temperatur. Gleichzeitig verringert
sich das Volumen des im Inneren des Garraums enthaltenen Gases, sodass Luft nachgesaugt
werden muss, üblicherweise aus einem Kondensations- oder Ablaufbereich des Gargeräts.
Wenn die Temperatur im Garraum schließlich den unteren Schwellwert des Schwellwertreglers
erreicht hat, wird der Dampfgenerator wieder eingeschaltet. Danach wird wieder so
lange Wasserdampf produziert, bis die Temperatur im Garraum wieder den oberen Schwellwert
erreicht hat.
[0003] Da die nachgesaugte Luft sich aber mit dem Dampf im Garraum vermischt, muss der vom
Dampfgenerator erzeugte und in den Garraum eingebrachte Wasserdampf ein Gemisch aus
Wasserdampf und nachgesaugter Luft verdrängen, um den Dampfgehalt und die Temperatur
im Garraum zu erhöhen. Dadurch muss sehr viel mehr Dampf produziert werden, als Luft
nachgesaugt worden ist. Als Beispiel wird angenommen, dass bei 90% Feuchte 1 Liter
Wasserdampf im Garraum kondensiert, der durch Luft ersetzt wird. Daraufhin muss das
Gerät 10 Liter Dampfgemisch durch 10 Liter reinen Wasserdampf ersetzen, um die nachgesaugte
Luft zu verdrängen.
[0004] Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Gargerät und ein Verfahren zur Regelung
eines Dampfgenerators zu schaffen, mit dem besonders bei hohem Dampfgehalt eine bessere
Regelung dahingehend möglich ist, dass das Nachsaugen von Luft weitgehend vermieden
ist.
[0005] Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Gargerät mit einem Garraum, einem
Dampfgenerator und einer Steuerung vorgesehen, wobei die Steuerung einen Schwellwertregler
sowie einen stetigen Regler aufweist. Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken,
den Dampfgenerator in einem Betriebsbereich, in welchem der Dampfgehalt konstant gehalten
werden soll, mit dem Signal des stetigen Reglers anzusteuern. Auf diese Weise wird
verhindert, dass der Dampfgenerator so lange ausgeschaltet bleibt, bis Luft nachgesaugt
wurde.
[0006] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Dampfgenerator
mindestens zwei Leistungsstufen aufweist. Gemäß dieser Ausgestaltung wird der Dampfgenerator
grundsätzlich weiterhin mit diskreten Leistungsstufen betrieben, die aber in dem Betriebsbereich,
in welchem der Dampfgehalt konstant gehalten werden soll, vom stetigen Regler angesteuert
werden. Durch die Verwendung von zwei oder mehr Leistungsstufen kann eine optimale
Anpassung an den jeweiligen Leistungsbedarf erfolgen.
[0007] Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der stetige Regler den Dampfgenerator mit einer
maximalen mittleren Leistung betreibt, die unterhalb der ersten Leistungsstufe liegt.
Der Dampfgenerator arbeitet dann mit einer Haltestufe, die wie eine zusätzliche kleinere
Heizstufe in den Schwellwertregler integriert werden kann.
[0008] Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die erste Leistungsstufe im Bereich von etwa 25
% bis etwa 50 % der zweiten, maximalen Leistungsstufe beträgt. Es hat sich herausgestellt,
dass mit einer solchen Spreizung der Heizstufen das gewünschte Betriebsverhalten gut
abgebildet werden kann. Außerdem ergeben sich diese Leistungsstufen konstruktiv in
vorteilhafter Weise. Bei einem elektrisch betriebenen Dampfgenerator kann eine Halbierung
der Leistung bei Stern- oder Dreiecksschaltung mit einem Relais bzw. SSR erreicht
werden. Bei einem gasbetriebenen Dampfgenerator wird die kleinste Heizstufe dagegen
konstruktiv bedingt eher eine Leistung von etwa 25 % der maximalen Leistung haben,
auch wenn noch geringere Leistungen vorteilhaft sein könnten.
[0009] Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass der stetige Regler den Dampfgenerator mit
einer Leistung betreibt, die etwa 75 % der Leistung der ersten Leistungsstufe beträgt.
Anders ausgedrückt arbeitet der Dampfgenerator (unter der Annahme einer Leistung in
der ersten Heizstufe von 50% der Maximalleistung) in der Haltestufe mit einer Leistung
von 37,5 % der maximalen Heizleistung, was sich als vorteilhaft herausgestellt hat,
um einen konstanten Dampfgehalt im Garraum aufrechtzuerhalten.
[0010] Gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der stetige Regler als
Steuergröße eine Puffervariable ausgibt, anhand derer die Steuerung den Dampfgenerator
pulsweitenmoduliert betreibt. Auf diese Weise können die Vorteile eines stetigen Reglers
genutzt werden, ohne dass ein stufenlos regelbarer Dampfgenerator genutzt werden muss.
[0011] Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Garraum mit einem Ablaufbereich in Strömungsverbindung
steht, wobei im Ablaufbereich ein Dampfpuffer gebildet ist, dessen Volumen mindestens
gleich dem Dampfvolumen ist, das zwischen zwei Heizpulsen im Garraum kondensiert.
Diese Ausgestaltung berücksichtigt, dass aufgrund von zulassungsrechtlichen Vorgaben
in einigen Ländern die Häufigkeit der erlaubten Schaltvorgänge je Zeiteinheit begrenzt
ist. Dies führt dazu, dass beim Betrieb des Dampfgenerators in der Haltestufe gewisse
Wartezeiten eingehalten werden müssen, bevor nach dem Ausschalten des Dampfgenerators
dieser wieder eingeschaltet werden darf. Dadurch lässt sich nicht verhindern, dass
während der Wartezeit eine gewisse Dampfmenge kondensiert, deren Volumen durch nachgesaugtes
Gas ausgeglichen werden muss. Die Verwendung eines Dampfpuffers im Ablaufbereich gewährleistet,
dass keine Luft nachgesaugt wird, sondern Dampf.
[0012] Gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der stetige Regler ein
PI-Regler ist. Ein solcher Regler ist ausreichend, um den einzuhaltenden Sollwert
(Temperatur oder Feuchte) im Garraum während der Haltephase aufrechtzuerhalten. Auf
einen aufwendigeren PID-Regler kann verzichtet werden.
[0013] Erfindungsgemäß ist zur Lösung der oben genannten Aufgabe auch ein Verfahren zur
Regelung eines Dampfgenerators für ein Gargerät vorgesehen, das dadurch gekennzeichnet
ist, dass der Dampfgenerator in einer Annäherungsphase, in der sich ein zu regelnder
Istwert in einem Garraum des Gargeräts stark von einem Sollwert unterscheidet, von
einem Schwellwertregler gesteuert wird und in einer sich anschließenden Haltephase,
in welcher der Istwert sich in der Nähe des Sollwerts befindet, von einem stetigen
Regler gesteuert wird. Dieses Verfahren kombiniert den Vorteil eines robusten Schwellwertreglers
mit dem Vorteil der präziseren Regelung mittels eines stetigen Reglers.
[0014] Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Schwellwertregler den Dampfgenerator steuert,
bis der zu regelnde Istwert im Garraum mindestens 90 % des Sollwertes beträgt. Es
vereinfacht die Auslegung des stetigen Reglers, wenn dieser lediglich die Regelung
in der Nähe des Sollwertes übernehmen muss und die Annäherung an den Sollwert vom
robusten Schwellwertregler übernommen wird.
[0015] Gemäß einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der stetige Regler den Dampfgenerator
stufenlos regelt. Auf diese Weise kann die Regelgüte erhöht und der Energieverbrauch
verringert werden.
[0016] Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform beschrieben, die in den
beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. In diesen zeigen:
- Figur 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Gargerät;
- Figur 2 ein Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- Figur 3 schematisch in vergrößertem Maßstab den mit III in Figur 1 gekennzeichneten
Ablaufbereich; und
- Figur 4 eine alternative Ausgestaltung zum in Figur 3 gezeigten Ablaufbereich.
[0017] In Figur 1 ist schematisch ein Gargerät 10 gezeigt, das für Großküchen vorgesehen
ist und als Kombi-Dämpfer bekannt ist. Es enthält einen Garraum 12, in den zu garende
Produkte eingebracht werden können. Es ist ein Dampfgenerator 14 vorgesehen, der Wasserdampf
erzeugen kann, welcher in das Innere des Garraums 12 geleitet werden kann. Das Gargerät
10 weist natürlich auch eine Heizung auf, um erwärmte Luft in den Garraum einzubringen.
Da diese Heizung im Rahmen der vorliegenden Anmeldung jedoch ohne Bedeutung ist, ist
sie hier der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
[0018] Weiterhin ist eine Steuerung 16 vorgesehen, die als Eingangssignale unter anderem
ein Signal von einem Temperatur- und/oder Feuchtesensor 18 erhält, der im Inneren
des Garraums 12 angeordnet ist, sowie von einer Bedieneinheit 20. Über die Bedieneinheit
20 kann ein Bediener verschiedene Garbedingungen im Inneren des Garraums oder komplexere
Garprogramme vorwählen.
[0019] Die Steuerung 16 enthält einen Schwellwertregler 22 sowie einen stetigen Regler 24,
der hier als PI-Regler ausgeführt ist. Von der Steuerung 16 wird unter anderem der
Dampfgenerator 14 angesteuert, indem sie vorgibt, ob der Dampfgenerator ausgeschaltet
ist, mit einer ersten Leistungsstufe 14.1 oder einer zweiten Leistungsstufe 14.2 betrieben
wird. In der ersten Leistungsstufe 14.1 hat der Dampfgenerator eine Leistung, die
etwa 50 % der zweiten, maximalen Leistungsstufe beträgt. Die Leistungsstufen sind
hier durch die Steuerung vorgegeben, beispielsweise durch die Verschaltung von drei
Heizkörpern in Sternoder Dreiecksschaltung. In Abhängigkeit von den Anforderungen
können auch andere oder mehr Leistungsstufen verwendet werden.
[0020] Unterhalb des Garraums 12 ist ein Ablaufbereich 26 vorgesehen, der kastenartig ausgeführt
und mit einer Kondensationseinrichtung 28 versehen ist. Der Ablaufbereich 26 ist mit
einem Abluftrohr 30 verbunden. Zwischen dem Anschluß des Abluftrohres 30 und der Verbindung
zum Garraum ist ein Trennblech 32 vorgesehen, so dass ein Dampfpuffer 34 zwischen
dem Garraum und dem Trennblech gebildet ist.
[0021] Anhand von Figur 2 wird nun erläutert, wie in der Betriebsart "Dampf" ein möglichst
konstanter Temperatur- bzw. Dampfgehalt im Garraum 12 aufrechterhalten wird. Bei diesem
Beispiel ist eine Solltemperatur T
s vorgegeben. Das Verfahren arbeitet jedoch in derselben Weise, wenn anstelle der Temperatur
eine bestimmte Feuchte im Garraum als Sollwert vorgegeben ist.
[0022] Zu Beginn des Verfahrens befindet sich die Isttemperatur T
I im Garraum deutlich unterhalb der Solltemperatur T
S, die hier rund 95 °C beträgt. Daher verwendet die Steuerung 16 für die Ansteuerung
des Dampfgenerators ausschließlich den Schwellwertregler 22. Dieser betreibt den Dampfgenerator
14 in der zweiten Heizstufe 14.2, also mit einer Leistung von 100 % (siehe die Leistungskurve
P im Diagramm). Nachdem knapp 200 Sekunden verstrichen sind, überschreitet die Temperatur
T
I im Garraum 12 den Schwellwert, bei dessen Überschreiten der Dampfgenerator 14 auf
die erste Heizstufe 14.1 zurückgeschaltet wird; die Leistungskurve P sinkt also auf
einen Wert von 50 % ab.
[0023] Nachdem rund 230 Sekunden verstrichen sind, hat sich die Isttemperatur T
I so weit an die Solltemperatur T
S angenähert, dass die Steuerung 16 vom Schwellwertregler 22 auf den PI-Regler 24 umschaltet
und diesen für die Ansteuerung des Dampfgenerators 14 verwendet. Dementsprechend steigt
der Wert für die Sollleistung HS
S des Dampfgenerators in der Haltestufe auf einen vorgegebenen Wert von 75 % der Leistung
der ersten Heizstufe (siehe Kurve HS
S). Dieser Wert HS
S wird von der Steuerung 16 als Puffervariable behandelt, anhand derer der Dampfgenerator
14 nun mit der ersten Heizstufe 14.1 pulsweitenmoduliert betrieben wird. Da die maximale
Leistung des Dampfgenerators hier vorgegeben ist mit 75 % der Leistung der ersten
Heizstufe 14.1, schaltet also die Steuerung 16 die erste Heizstufe 14.1 des Dampfgenerators
14 innerhalb eines gegebenen Zeitintervalls für 75 % der Zeit ein und für 25 % der
Zeit aus, wenn der Dampfgenerator in der Haltestufe mit maximaler Leistung betrieben
werden soll. Dies ist hier der Fall, solange der Sollwert H
S für die Haltestufe auf dem Wert von 75 % verbleibt, also bis knapp 250 Sekunden.
Zu diesem Zeitpunkt beginnt der PI-Regler 24 zu regeln, wie an den schwankenden Werten
für den Sollwert HS
S der Haltestufe zu sehen ist.
[0024] Auf diese Weise kann ein stetiger Regler in Kombination mit einem Dampfgenerator,
der zwischen zwei diskreten Leistungsstufen geschaltet wird, dazu verwendet werden,
den Dampfgehalt im Garraum vergleichsweise konstant zu halten. Am annäherungsweise
konstanten Wert für den Integralanteil P
I des PI-Reglers ist zu erkennen, dass der Regler nach etwa 400 Sekunden einen stabilen
Zustand erreicht.
[0025] Grundsätzlich kann die jeweils vom PI-Regler 24 vorgegebene Leistung für den Betrieb
des Dampfgenerators 14 in der Haltestufe durch eine Vielzahl von sehr kurzen Heizpulsen
dargestellt werden, zwischen denen entsprechend kurze Ausschaltzeiten verwendet werden.
Bei elektrisch betriebenen Dampfgeneratoren könnte durch Ein- und Ausschalten einzelner
Halbwellen der Netzfrequenz die Heizleistung quasi stufenlos eingestellt werden. Auf
diese Weise kommt man einer tatsächlich stufenlosen Regelung der Leistung sehr nahe,
die hinsichtlich der Regelgüte und des Energieverbrauchs vorteilhaft wäre.
[0026] Sowohl aus praktischen als auch aus zulassungsrechtlichen Gründen ist es jedoch nicht
in allen Ländern möglich, die Ausschaltzeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Heizpulsen
beliebig kurz zu wählen. Die Ausschaltzeit oder Wartezeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Heizpulsen führt daher dazu, dass im Garraum Dampf kondensiert. Das entsprechende
Dampfvolumen muss in den Garraum nachgesaugt werden.
[0027] In Figur 3 ist eine Ausführungsform gezeigt, die sich durch einen größeren Dampfpuffer
34 auszeichnet. Dieser ist dadurch gebildet, dass das Trennblech 32 näher am Abluftrohr
30 angeordnet ist. Die Funktion des Trennblechs 32 besteht darin, ein Vermischen des
Dampfs mit der Luft im Ablaufbereich 26 weitestgehend zu verhindern. Das Volumen des
mit dem Trennblech 32 definierten Dampfpuffers 34 ist mindestens so groß wie das Dampfvolumen,
das zwischen zwei Heizpulsen im Garraum 12 kondensieren kann. Dies gewährleistet,
dass zwischen zwei Heizpulsen nicht Luft nachgesaugt wird, sondern Dampf aus dem Dampfpuffer
34 (siehe den Pfeil D). Mindestens zwischen zwei Heizpulsen muss dementsprechend auch
die Kondensationseinrichtung 28 abgeschaltet sein, damit im Dampfpuffer 34 auch tatsächlich
Dampf vorgehalten werden kann.
[0028] In Figur 4 ist eine alternative Ausgestaltung gezeigt. Bei dieser werden Strömungsleitbleche
36 verwendet, die sich in Längsrichtung des Ablaufs erstrecken. Der Ablauf kann dabei
entweder einen kreisförmigen Querschnitt (siehe Detail D1) oder einen kastenförmigen
Querschnitt haben (siehe Detail D2). Die Strömungsleitbleche 36 wirken als Wirbelbrecher,
die ähnlich wie das Trennblech 32 verhindern, dass sich die Luft im Ablaufbereich
26 mit dem dort vorhandenen Dampf vermischt. Somit kann möglichst reiner Dampf in
den Phasen zwischen zwei Heizpulsen in den Garraum zurückgesaugt werden. Durch die
Ausrichtung der Strömungsleitbleche 36 in Richtung des Ablaufkanals wird die Strömung
in Längsrichtung kaum beeinträchtigt, in einer Richtung quer dazu dagegen stark unterdrückt.
[0029] Gemäß einer Ausführungsvariante können die Strömungsleitbleche, die sich in Strömungsrichtung
erstrecken, alle auf der Oberseite des Ablaufs angebracht werden. Dies erleichtert,
Verschmutzungen auszuspülen, damit sich keine Verunreinigungen an den Blechen ansammeln
können.
Bezugszeichenliste
[0030]
- 10:
- Gargerät
- 12:
- Garraum
- 14:
- Dampfgenerator
- 14.1:
- erste Heizstufe
- 14.2:
- zweite Heizstufe
- 16:
- Steuerung
- 18:
- Sensor
- 20:
- Bedieneinheit
- 22:
- Schwellwertregler
- 24:
- PI-Regler
- 26:
- Ablaufbereich
- 28:
- Kondensationseinrichtung
- 30:
- Abluftrohr
- 32:
- Trennblech
- 34:
- Dampfpuffer
- 36:
- Strömungsleitblech
1. Gargerät (10) mit einem Garraum (12), einem Dampfgenerator (14) und einer Steuerung
(16), wobei die Steuerung (16) einen Schwellwertregler (22) sowie einen stetigen Regler
(24) aufweist.
2. Gargerät (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfgenerator (14) mindestens zwei Leistungsstufen (14.1, 14.2) aufweist.
3. Gargerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der stetige Regler (24) den Dampfgenerator (14) mit einer Leistung betreibt, die
unterhalb der ersten Leistungsstufe (14.1) liegt.
4. Gargerät nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leistungsstufe (14.1) etwa 50 % der zweiten, maximalen Leistungsstufe (14.2)
beträgt.
5. Gargerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der stetige Regler (24) den Dampfgenerator (14) mit einer Leistung betreibt, die
etwa 75 % der Leistung der ersten Leistungsstufe (14.1) beträgt.
6. Gargerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der stetige Regler (24) als Steuergröße eine Puffervariable (HSS) ausgibt, anhand derer die Steuerung (16) den Dampfgenerator (14) pulsweitenmoduliert
betreibt.
7. Gargerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Garraum (12) mit einem Ablaufbereich (26) in Strömungsverbindung steht, wobei
im Ablaufbereich (26) ein Dampfpuffer (34) gebildet ist, dessen Volumen mindestens
gleich dem Dampfvolumen ist, das zwischen zwei Heizpulsen im Garraum (12) kondensiert.
8. Gargerät nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Ablaufbereich mindestens ein Trennblech (32) und/oder ein Strömungsleitblech (36)
vorgesehen ist.
9. Gargerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der stetige Regler ein PI-Regler (24) ist.
10. Verfahren zur Regelung eines Dampfgenerators (14) für ein Gargerät (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfgenerator (14) in einer Annäherungsphase, in der sich ein zu regelnder Istwert
in einem Garraum (12) des Gargeräts (10) stark von einem Sollwert unterscheidet, von
einem Schwellwertregler (22) gesteuert wird und in einer sich anschließenden Haltephase,
in welcher der Istwert sich in der Nähe des Sollwerts befindet, von einem stetigen
Regler (24) gesteuert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwertregler (22) den Dampfgenerator (14) steuert, bis der zu regelnde Istwert
im Garraum (12) mindestens 90 % des Sollwertes beträgt.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der stetige Regler (24) den Dampfgenerator (14) stufenlos regelt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfgenerator (14) elektrisch betrieben wird und die Leistung des Dampfgenerators
(14) durch Ein- und Ausschalten einzelner Halbwellen der Netzfrequenz geregelt wird.