CONVENTIONELE VERWARMINGSMETHODEN

_________________________________

Wanneer men voedingsmiddelen wil verwarmen, kan men er of warmte als zodanig of een andere vorm van energie, die geresorbeerd wordt en in warmte omgezet, van buiten af aan toevoeren.

De verwarmingsmethoden, waarbij warmte direct van buiten af wordt toegevoerd zijn de in de titel bedoelde conventionele verwarmingsmethoden. De heer Gall zal een wat minder gebruikelijke verwarmingsmethode bespreken, waarbij energie in de vorm van elektromagnetische golven van 2.45 10EHz wordt geresorbeerd en in warmte wordt omgezet. Een zeer gebruikelijke verwarmings­methode, namelijk die waarbij energie in de vorm van "warmtestraling", elektromagnetische golven van de orde 10¹⁴  Hz, wordt toegevoerd valt dus ook buiten de groep van methoden, die ik zal bespreken. Terwille van de tijd zal ik mij verder beperken tot een bespreking van het warmtetransport, van een warmtebron of door de wand van een vat, naar een vloeibaar voedingsmiddel of naar een vloeibare hulpstof (gesmolten vet, olie of water) die de warmte transporteert naar vaste stukken voedingsmiddel, die zich in die hulpstof bevinden. De te bespreken verwarmingsmethoden nu, worden in de zogenaamde procesindustrie op grote schaal toegepast. Het grote economische belang ervan heeft het onderzoek en de technische ontwikkeling op dit gebied zeer gestimuleerd.

Ondanks dit onderzoek en die technische ontwikkeling, stuit men nog altijd op het zogenaamde schaalvergrotingsprobleem; wat hierop neerkomt dat men een productieproces, waarbij materialen verward (of gekoeld) moeten worden en dat op een bepaalde kleine schaal goed loopt, niet zonder meer naar een grotere schaal kan uitbreiden. Bij schaalvergroting van alle afmetingen van bijvoorbeeld een kookketel, neemt het volume sterker toe dan het oppervlak en dit veroorzaakt in eerste aanleg het vergrotingsprobleem. De ervaring bij het ontwikkelen van industriële processen heeft een vuistregel opgeleverd: Vergroot het volume van goed werkende apparatuur met niet meer dan een factor 10 bij schaalvergroting van het proces.

Blijkens de voorafgaande inleiding van de heer Weits, dienen de ingrediënten van een maaltijd een zeer bepaalde warmtebehandeling te ondergaan. Wanneer dit proces met gunstig gevolg wordt uitgevoerd op huishoudelijke schaal, met hoeveelheden dus van ongeveer een kg, dan mag toch niet zonder meer worden aangenomen, dat bereiding van enkele honderden kilogrammen tegelijk een één grote kookketel met hetzelfde succes bekroond zal worden. De verhouding tussen het volume, dat verwarmd moet worden en het oppervlak waar de nodige warmtestroom doorheen moet is ten ongunste veranderd.

Om dezelfde gemiddelde opwarmsnelheid te bereiken zal de wand op een hogere temperatuur moeten worden gehouden; wanneer dat op bezwaren stuit, bv.  wegens aanbrandgevaar, moet met een langzamere opwarming genoegen worden genomen, wat echter om andere redenen weer vermindering van kwaliteit kan betekenen; men is kennelijk gedwongen het minst ongunstige compromis op te zoeken. Behalve met de geringere opwarmsnelheid hebben we echter bovendien te maken met een achterstand in tijd van de opwarming in het centrum van de kookketel, tegenover die dicht bij de verwarmde wand, een probleem, dat bekend staat als dat van de ongelijkmatige opwarming. Dit laatste probleem treedt vooral op de voorgrond, wanneer er weinig of geen stroming is; kennelijk is het werken met grote kookketels te moeilijker, naarmate de te verwarmen producten minder vloeibaar zijn.

Aannemende dat er totaal geen convectiestroom optreedt in een kookketel als  kan het temperatuurverloop op de langzaamst opwarmende plaats in die ketel berekend worden. Hierbij is verondersteld, dat de inhoud van de ketel de thermische eigenschappen van water heeft, dat van het oppervlak van het voedsel uit geen warmte verloren gaat, dat de begintemperatuur 10EC is en dat de verwarmde wanden op 110EC worden gehouden. Het is nu duidelijk dat er zeer zeker gevaar bestaat, dat de opwarmtijden onaanvaardbaar lang worden.  Wat betreft de achterstand van het centrum ten opzichte van de gemiddelde opwarming geldt voor de ketels ongeveer dat die achterstand oploopt tot een aantal uren, gelijk aan het volume in liters gedeeld door 100.

Wanneer door roeren of vrije convectie voldoende  sterke circulatie optreedt, geldt ongeveer het temperatuurverloop voor de gemiddelde temperatuur. Op de tijdas zijn de tijden uitgezet, gedeeld door een tijd-constante t₀;  deze tijdconstante is afhankelijk van de intensiteit van de circulatie en geeft een indruk van de tijd, die nodig is om de gehele massa één circulatiecyclus te doen volbrengen. Wervels van geringe afmeting, al zouden ze ook krachtig zijn, hebben minder invloed op de tijdconstante dan trage wervels, die afmetingen hebben van de orde van die van de ketel. Wil men nu met wandtemperaturen van 110EC, dan dient de tijdconstante 15 min./2.3 = 6.5 min te zijn, d.w.z. dat in die 6.5 min ongeveer één circulatiecyclus van de wand naar het centrum en weer terug voltooid moet zijn. De achterstand in opwarming die het centrum oploopt vergeleken met de gemiddelde opwarming is moeilijk precies aan te geven, doch kan geacht worden van de grootteorde van de tijdconstante te zijn.

Wanneer de noodzakelijke stroming door roeren moet worden opgewekt, zou dit roeren het beste kunnen gebeuren met vrij langzaam langs de wanden bewegende grote schrapers, die voor de wenselijke, algemene, rustige circulatie kunnen zorgen.

Kleinere sneller lopende toerwerken verliezen op enige afstand hun invloed vrijwel geheel, en kunnen bovendien een ongunstige maalwerking vertonen . Bij de hier aanbevolen grote roerwerken is de tijdconstante en daarmee de opwarmtijd vermoedelijk evenredig met de omlooptijd van het roerwerk.

De ervaring blijkt te leren dat in vele gevallen de vrije convectie in het vloeibare voedingsmiddel of in de vloeibare hulpstof, die de warmte aan het vaste voedingsmiddel moet overdragen, voor voldoende circulatie zorgt, zelfs in de grootste ketels, om aan de warmtetechnische eisen van een goede toebereiding te voldoen. Voor bepaalde snel gaar wordende groenten echter is het gebruikelijk tijdens de opwarming de massa éénmaal met een schop "om te zetten", in het algemeen schijnt men te verwachten dat mechanisering van deze handeling met behulp van toerwerken teveel beschadiging en daardoor een minder smakelijk uiterlijk zou opleveren.

Wanneer de verhouding tussen wandoppervlak en inhoud van de ketel zich ten ongunste wijzigt, bv. door schaalvergroting, dan moet de ketelinhoud tijdens de circulatiecyclus over groter afstanden verplaatst worden. Voor eenzelfde opwarmsnelheid moeten dus grotere stroomsnelheden worden opgewekt, wat bij vrije convectie alleen door hogere wandtemperaturen bereikt kan worden, zodat wij dan weer staan voor de noodzaak, het nadeel van de langzamere opwarming af te wegen tegen dat van de hogere wandtemperaturen.

Een wat gunstiger verhouding tussen volume en oppervlak kan verkregen worden, door de ketel als een langwerpige bak uit te voeren. Het quotiënt tussen volume en oppervlak van de reeds besproken ketel van 1 m; inhoud is 0.228 m. Voor een rechthoekige bak van 0.50 X 0.50 X 4.00 = 1 m; inhoud die van opzij en van onderen wordt verwarmd is de bedoelde verhouding = 0.154 m.

Voor het opwekken van een bepaalde circulatiesnelheid behoeven dus in zo'n langwerpige ketel niet zo grote temperatuurverschillen onderhouden te worden als bij de gebruikelijke ronde ketels.

Men kan nu op de gedachte komen de langwerpige bak a.h.w. op te rollen, zodat men de kookketel met in het centrum een verticale verwarmde pijp verkrijgt.

Een voordeel van deze ketel is, dat juist op de plaats waar de opwarming anders het meest vertraagd zou zijn, extra warmte wordt toegevoerd. Omdat echter de centrale pijp een betrekkelijk gering oppervlak heeft, wordt de totale warmtetoevoer naar de inhoud van de ketel niet veel groter. Wanneer in de ketel voldoende stroming optreedt, heeft de extra verwarming in het centrum weinig zin meer.

Nu komen wij aan de vraag op welke wijze de benodigde warmte naar de wand van de ketel moet worden gebracht. Gezien het vrij moeilijke warmtetransport binnen de ketel lijkt het uit een oogpunt van opwarmingssnelheid weinig uit te maken, welk medium als drager van de warmte bij het transport naar de ketelwand wordt gebruikt en uit welk materiaal van welke dikte de wand van de ketel is vervaardigd. Belangrijker dan een geringe weerstand tegen warmtetransport is een zo gelijkmatig mogelijke temperatuur aan de binnenzijde van de wand. Hoe dikker de wand, hoe verder ongelijkmatigheden in de temperatuur aan de buitenzijde zijn geëgaliseerd. Wanneer de wand is opgebouwd uit lagen van afwisselend slechte en goede warmtegeleidbaarheid wordt een nog beter egalisering verkregen. De gemiddelde

warmtegeleidbaarheid loodrecht op de lagen is dan namelijk lager dan die langs de lagen, de "effectieve dikte" is dan gelijk aan de totale dikte vermenigvuldigd met quotiënt van de gemiddelde geleidbaarheden. Van de egaliserende werking van afwisselend goed en slecht geleidende wanden wordt gebruikt gemaakt,

wanneer men tussen een vlam en een goed geleidende panbodem een stukje isoleerplaat aanbrengt; ook bij geëmailleerde pannen is een grotere gelijkmatigheid van de temperatuur aan de binnenzijde van de wand te verwachten.

In beginsel is het mogelijk om op een of andere wijze warmtestraling op te wekken en deze op het buitenoppervlak van de ketelwand in warmte om te zetten. Stel dat een ketel van l m; inhoud een buitenoppervlak heeft van

4.5 m5 en dat we er een warmtestroom van 500 kW aan willen toevoeren, terwijl de ketelwand op 110EC wordt gehouden, dan zou, wanneer zowel de ketelwand als de stralingsbron, die de ketelwand geheel zou moeten omgeven, beide "volkomen zwart" zouden zijn, de stralingsbron een temperatuur moeten hebben van slechts 117E C; dat wil zeggen, dat zonder toepassing van zeer hoge temperaturen een voldoend sterke warmtestroom verkregen kan worden door een lege tussenruimte van een dubbel wand. Het warmtetransport door straling zou onafhankelijk van de afstand zijn, wanneer de tussenruimte werkelijk volkomen leeg was; de eventueel aanwe­zige lucht zal echter zeer weinig warmtestraling resorberen en bovendien het totale warmtetransport door vrije convectie nog zeer bevorderen. De conclusie luidt dat het zeer wel uitvoerbaar is, de verwarming van een ketelwand te egaliseren, door de warmtestroom, gedeeltelijk in de vorm van warmtestraling, door een lucht gevulde tussenruimte van een dubbele wand te laten gaan.

Wij zullen nu een aantal verwarmingssystemen achtereenvolgens kort bespreken en wel, de verwarming met condenserende damp, waarbij behalve aan verwarming met stoom, ook gedacht wordt aan verwarming met media als "Dowtherm", daarna de verwarming met warme vloeistof dan de directe verwarming met gasvormige,

vloeibare of vaste brandstof en tenslotte de verwarming met behulp van elektrische weerstandselementen.

De meest toegepaste verwarmingsmethode voor grote kookketels is die, waarbij stoom condenseert in de ruimte tussen de dubbele wanden van de ketel. De gelijkmatigheid van de wandtemperatuur is bij deze methode zeer goed; juist op de koudere plaatsen vindt meer condensatie, dus meer warmtetoevoer plaats. Hogere temperaturen dan de meestal vrij lage stoomtemperatuur kunnen onmogelijk voorkomen. Bij verwarming met stoom bestaat in principe de mogelijkheid stoomaccumulatie toe te passen, waardoor voorkomen wordt, dat een eigenlijk te grote stoomketel slechts gedurende luttele uren per etmaal in vol bedrijf is. Voor een keuken, die 1500 mensen bedient, zal ruwweg 6.000.000 KJoule /etmaal aan warmte nodig zijn. Die hoeveelheid warmte kan opgeslagen worden in 100 m; water van ongeveer 120E C onder de bijbehorende verzadigingsdruk van ongeveer 2 bar; wanneer nu die  6.000.000 kJoule in de vorm van stoom aan die 100 m; water onttrokken wordt, zonder dat nieuwe warmte wordt toegevoerd, daalt de temperatuur tot ongeveer 105E C en de druk tot ongeveer 1.25 bar. De benodigde warme kan dan worden opgewekt in een ketel, die constant 70 kW in de vorm van 114 kg/uur stoom van 120E C en 2 bar aan de accumulator levert. Of de investering in een drukvat van 100 m; opweegt tegen de besparing, verkregen door het gebruik van een kleinere constant belaste ketel, is een kwestie van economie.

Warmtetoevoer in de vorm van verdampingswarmte, die op de buitenzijde van de wand als condensatiewarmte weer vrijkomt, vindt ook plaats bij verwarming met een van de thermisch zeer stabiele verbindingen, die bv. onder de naam "Dowtherm" in de handel zijn. Deze verbindingen zijn minder vluchtig dan water, zodat zonder veel drukverhoging vrij hoge temperaturen bereikt kunnen worden, verder zijn zij minder corrosief dan water. Een nadeel van dit soort verwarmingsmedia is de prijs, waardoor hoge eisen aan de geslotenheid van het systeem worden gesteld. Omdat ver boven 100E C gelegen temperaturen toch ongewenst zijn heeft het toepassen van de hier bedoelde media bij de voedselbereiding geen zin.

Verwarming met een warme vloeistof staat bekend onder de Franse naam "au bain-marie"; het is een op huishoudelijke schaal veel toegepaste methode om een gelijkmatige verwarming te verkrijgen. Voor dat doel wordt deze methode ook wel bij grote kookketels toegepast, waarbij de vloeistof zich in de tussenruimte van een dubbele wand bevindt en van buiten af wordt verwarmd. Als de vloeistof gaat koken, gaat ook warmtetransport in de vorm van verdampingwarmte een rol spelen.

Directe verwarming met gasvormige brandstof heeft het nadeel dat de buitenzijde van de ketelwand nogal ongelijkmatig verwarmd wordt, tenzij wellicht de branders op enige afstand zijn geplaatst en de verwarming door contact met de goed gemengde schoorsteengassen en door resorptie van straling plaatsvindt. De warmteoverdracht van een gas naar een wand is zo slecht, dat we nu wellicht wel moeten overwegen, de warmteoverdracht aan de buitenzijde te bevorderen, door bv. ribben op de ketel aan te brengen. Verwarming direct met vaste of vloeibare brandstof heeft dezelfde bewaren als gasverwarming, vermeerderd met die verbonden aan de eventueel nodige as-afvoer en aan de soms ernstige corrosie.

Verwarming met elektrische weerstandselementen is vrij duur.

Is voor de eerder genoemde 6.000.000 kJoule per etmaal zo ongeveer 150 kg stookolie nodig. De stoomopwekking hoeft niet eens zo efficiënt te gebeuren om economisch tegen elektrische verwarming op te kunnen. De elektrische verwarming heeft wel

bepaalde voordelen. De installatie is betrekkelijk eenvoudig te bedienen, terwijl alle stof en stank in de hopelijk veraf gelegen elektrische centrale wordt geproduceerd. Aan de gelijkmatigheid van een verwarming met weerstandselementen moet wel enige aandacht besteed worden. Van de gebruikelijke weerstandsmaterialen neemt de weerstand toe met de temperatuur. Worden alle weerstand in serie geschakeld, dan wordt de meeste warmte geproduceerd in de grootste weerstand. Neemt nu van een element de temperatuur toe, doordat er weinig warmte wordt afgenomen, dan neemt het aandeel in de warmteproductie nog verder toe. Bij schakeling van alle elementen in serie is de gelijkmatigheid van de verwarming dus labiel. (Deze labiele gelijkmatigheid geldt ook voor een enkele draad, waarvan bepaalde trajecten op deze wijze oververhit kunnen raken). Bij parallelschakeling van weerstandselementen treedt de meeste warmteontwikkeling juist op in de kleinste weerstand; dan is de gelijkmatigheid dus min of meer gestabiliseerd.

Het verdient ten slotte overweging een continue stroom voedsel te verwarmen; zo'n continue stroom kan zelfs bij grote productie vrij "dun" zijn, zodat de verhouding tussen oppervlak van de wand en inhoud, voor de kanalen, waar die stroom doorheen gaat een gunstige waarde heeft. Een eerste mogelijkheid, waar­aan gedacht kan worden, is een lange smalle trog met verwar­mingsmantel, waar de ingrediënten met behulp van schrapers of van een transportschroef door voortbewogen worden. Eist men bv., dat in 2 uur tijd totaal 1 m; voedsel aan een warmtebehandeling van 20 min. onderworpen moet worden, dan moet de inhoud van de trog blijkbaar 167 liter zijn.

Maken wij de trog 4m lang, dan moet het voedsel met een snelheid van 1/3 cm/sec voortbewogen worden, terwijl het oppervlak van de doorsnede van de stoom slechts iets meer dan 4 dm5 is. Een verdere vergroting van het verwarmde oppervlak kan verkregen worden door een holle transportschroef, waarin bv. stoom condenseert, toe te passen. Een gevaar bij continue werkwijzen is de mogelijkheid, dat er een zogenaamde verblijfsduurspreiding gaat optreden wat voor een goede kwaliteit van het voedsel funest zou kunnen worden; bij de besproken transportgoten echter treedt heel

weinig spreiding op.

Continue voedselbereiding is ook denkbaar in een apparaat, waarin porties voedsel in mandjes aan een kettingtransporteur worden gevoerd door een bak met kokend water, waarvan de samenstelling geregeld wordt door spui en suppletie van bv. gedemineraliseerd water. Verwarmingstechnisch gezien zouden deze porties zelfs op een nog wat gunstiger wijze behandeld worden dan bij de huishoudelijke voedselbereiding. Dergelijke mandjes zouden ook in een continue stroom door een met stoom gevulde ruimte gevoerd kunnen worden, bv. door een zelfde constructie toe te passen als bij continu sterilisatoren voor verpakte voedingsmiddelen. Bijkomende voordelen van continu koken zijn de mogelijkheden om ten eerste een continue voorbewerking (schillen, snijden, raspen, wassen) voor te schakelen, zodanig, dat alle materiaal onmiddellijk na de voorbereiding wordt gekookt en ten tweede een continue stroom klanten te bedienen, die dus ieder een zojuist gereedgekomen, niet bewaarde, maaltijd opgediend krijgen.

naar nic