Nguyên lý hoạt động máy rang cà phê

Nhiệt đối lưu, nhiệt truyền dẫn và nhiệt bức xạ

- Máy rang truyền thống là loại máy rang có lồng rang tiếp xúc trực tiếp với lửa, đầu tiên sẽ rang hạt cà phê bằng nhiệt đối lưu và sau đó là nhiệt truyền dẫn. Nhiệt bức xạ từ máy rang và từ chính những hạt cà phê cũng là một phần của quá trình rang chính cà phê.

- Máy rang gián tiếp là máy rang có lồng rang cách xa nguồn nhiệt, đảm bảo duy trì lồng rang không bị quá nóng. Nhiệt đối lưu đóng vai trò chính trong quá trình truyền nhiệt để rang chín cà phê.

- Máy rang ống là máy rang không có lồng rang, cà phê được rang chín bằng luồng khí nóng thổi vào ống rang với tốc độ cao làm hạt cà phê bay lơ lửng, hấp thụ nhiệt và chín.

- Những loại máy rang tuần hoàn hút và thu hồi khó nóng thải ra trong quá trình rang. Cả hai dòng máy rang này được thiết kế rang cà phê hoàn toàn bằng luồng nhiệt đối lưu.

Giai đoạn đầu của quá trình rang, nhiệt độ của lồng rang sẽ bị giảm đột ngột khi cà phê nhân có nhiệt độ phòng (khoảng 37oC) được cho vào máy. Trong vài phút đầu của mẻ rang bằng máy rang lồng truyền thống, vai trò của nhiệt truyền dẫn vào hạt cà phê từ lồng rang thể hiện rõ nét. Trong khi đó nhiệt độ trong lồng rang sẽ bắt đầu từ từ tăng sau khi đã tuột xuống trong giai đoạn đầu, nhiệt đối lưu sẽ bắt đầu phát huy vai trò của nó. Đối với loại máy này, lồng rang hoạt động như một “lồng chứa nhiệt” để làm chín cà phê trong giai đoạn đầu của mẻ rang. Những loại máy chỉ rang cà phê bằng nhiệt đối lưu thường cần lường nhiệt lớn hơn để đủ lượng nhiệt cần thiết trong giai đoạn đầu của quá trình rang cũng như bù lượng nhiệt làm nóng lồng rang.

Quá trình truyền nhiệt và sự biến thiên nhiệt độ

Khoảng 2/3 khoảng thời gian đầu tiên của quá trình rang là quá trình thu nhiệt, điều đó có nghĩa là hạt cà phê sẽ hấp thụ năng lượng, và nhiệt năng sẽ được truyền dẫn từ ngoài vào trong hạt cà phê. Sự biến thiên nhiệt độ, hay “độ chênh lệch nhiệt độ” bên trong hạt cà phê phụ thuộc hoàn toàn vào hiệu suất truyền nhiệt. Hiểu đơn giản, biên độ nhiệt càng lớn, nhiệt độ bên trong hạt cà phê càng tăng nhanh. Biên độ nhiệt độ trong giai đoạn đầu ước tính khoảng 50oC, đạt cực đại tại điểm đó hoặc có thể cao hơn một chút, biên độ này sẽ giảm dần khi rang tiếp. Nói cách khác, sau vài phút đầu tiên của mẻ rang, nhiệt độ trong lõi của hạt cà phê từ từ ngang bằng với nhiệt độ bề mặt của hạt. Nói chung, biên độ nhiệt độ thường cao hơn khi rang nhanh và thấp hơn khi rang chậm.

Nhiệt năng và sự truyền nhiệt trong hạt cà phê

Cơ chế truyền nhiệt và nhiệt năng truyền dẫn trong máy rang cà phê có vai trò quan trọng trong việc quyết định chất lượng của hạt cà phê sau khi rang. Do đó mà các nhà rang cà phê thường cân nhắc rất cẩn thận việc chọn máy rang có nhiệt năng phù hợp.

Giai đoạn đầu lớp ngoài cùng của hạt cà phê, hơi nước bắt đầu bốc hơi tạo thành “lớp hơi nước” xâm nhập vào bên trong lõi hạt. Cấu trúc cellulo trong hạt cà phê bị làm lạnh, giữ lại hơi nước bên trong lõi hạt. Khi những cấu trúc khoang chứa hơi nước bị đốt nóng sẽ biến thành hơi, áp suất tăng làm cấu trúc hạt giãn nỡ.

Sự truyền nhiệt và độ ẩm

Độ ẩm của môi trường rang và hơi ẩm trong hạt cà phê ảnh hưởng đến sự dẫn truyền nhiệt khi rang cà phê. Sau sự chững lại của nhiệt độ giai đoạn đầu, độ ẩm bên trong lồng rang sẽ làm gia tăng quá trình truyền nhiệt để giải phóng lượng hơi ẩm trong hạt cà phê. Lượng hơi nước chứa trong hạt tác động trực tiếp vào quá trình rang cà phê. Lượng hơi nước lớn việc truyền dẫn nhiệt sẽ xảy ra ba tác động chính lên hạt cà phê nhân.

- Gia tăng khả năng truyền dẫn nhiệt vì hơi ẩm gia tăng sự truyền dẫn nhiệt trong hạt cà phê

- Tăng lượng nhiệt năng, có nghĩa là phải sử dụng nhiệt lượng nhiều hơn cho cùng trọng lượng hạt.

- Lượng hơi nước được giải phóng ra khỏi hạt cà phê nhiều hơn, điều này sẽ hạn chế khả năng truyền nhiệt vào trong lõi hạt.

Tác động cuối cùng là nhiệt độ trong hạt ẩm sẽ tăng chậm hơn trong hạt khô. Do vậy thợ rang phải căn chỉnh nhiệt độ hợp lý, bằng cách gia nhiệt lớn hơn khi rang hạt ẩm và điều chỉnh nhiệt độ phù hợp khi rang hạt khô.

Mỗi một chiếc máy rang cà phê sẽ được thiết kế theo những nguyên lý hoạt động đặc trưng riêng của mình, và để có thể đạt được chất lượng tốt nhất khi rang cà phê, những người thợ rang cần phải nắm rõ được cơ chế rang cà phê của chiếc máy mà mình sử dụng để làm chủ được quá trình vận hành, điều khiển nó.