Die Wärme erreicht das Gargut im Ofen auf drei Wegen, und jeder hat eine andere Verteilung:
Wärmestrahlung. Von den Heizkörpern und den heißen Wänden. Sie hängt vom Sichtfaktor ab: Flächen, die einem Heizkörper direkt gegenüberliegen, empfangen weit mehr. Deshalb verbrennt der Rand eines Blechs unter dem Oberhitzeheizkörper.
Konvektion. Beherrschend in Umluftöfen; Bereiche höherer Luftgeschwindigkeit garen schneller.
Wärmeleitung. Über Blech oder Form in den Boden.
Gleichmäßiges Backen heißt, dass die Summe der drei über die Oberfläche des Garguts ausgeglichen ist — und die drei haben ihr Maximum an verschiedenen Stellen.
Warum ein Umluftofen gleichmäßiger ist
Der Ventilator wälzt die heiße Luft um, macht den konvektiven Anteil beherrschend und gleichmäßiger und schwächt die Richtungsabhängigkeit der Strahlung relativ ab. Deshalb wird für das Backen auf mehreren Ebenen die Umluft bevorzugt.
Aber die Umluft hat ihr eigenes Verteilungsproblem: Bereiche nahe dem Ventilatoraustritt behalten eine höhere Geschwindigkeit. Luftleitbleche und Lochbleche gibt es, um das auszugleichen, und sie sind unmittelbar Gegenstand der Analyse — ein klassisches Verteilungsproblem.
Die Feuchte sollte nicht ignoriert werden
Der aus dem Gargut austretende Dampf erhöht die relative Feuchte im Ofen. Feuchte verzögert die Krustenbildung und verändert den Wärmeübergang. In Dampfbacköfen wird das gezielt genutzt. Ein Modell, das den Feuchtetransport nicht löst, kann Krusten- und Farbbildung nicht vorhersagen. Siehe die Notiz zur Trocknung.
Modellierung
Die Wärmestrahlung ist Pflicht. Erforderlich ist eine auf Sichtfaktoren beruhende Oberfläche-zu-Oberfläche-Strahlung; vernachlässigt man sie, kommt die Verteilung völlig falsch heraus [1]. Siehe die Notiz zur Wärmestrahlung.
Der Emissionsgrad der Oberfläche entscheidet. Zwischen einem blanken Aluminiumblech und einem dunklen Emailblech liegt ein Faktor. Das erklärt auch den Unterschied, den die Nutzer erleben.
Das Gargut ist eine thermische Masse, keine Randbedingung. Da die Frage die Temperatur im Inneren des Garguts über die Zeit ist, ist das Problem konjugiert und instationär.
Referenzen
- Modest, M. F. & Mazumder, S. (2021). Radiative Heat Transfer, 4th ed. Academic Press. ISBN 978-0-323-98406-5.
- Ranz, W. E. & Marshall, W. R. (1952). Evaporation from drops. Chemical Engineering Progress, 48, 141–146 (Part I) and 173–180 (Part II).