Máy Rang Truyền Nhiệt Gián Tiếp

Nội Dung Chính

Hạn chế lớn nhất của quá trình truyền nhiệt trực tiếp là nó chỉ hoạt động thông qua “tiếp xúc”. Khi một hạt cà phê chạm vào thành trống, chỉ một phần nhỏ của nó tiếp xúc với bề mặt nóng của trống. Nhiệt truyền vào phần còn lại của hạt bằng cách dẫn nhiệt, nhưng sự dẫn nhiệt là một quá trình chậm – và sự truyền nhiệt trong hạt chậm hơn so với trong trống kim loại, vì kim loại dẫn nhiệt tốt hơn kết cấu thực vật của nhân cà phê. Điều này có nghĩa là phần hạt cà phê tiếp xúc với trống nóng lên nhanh chóng, nhưng nhiệt đó cần có thời gian để phân tán.

Mặt khác, với sự đối lưu, không khí nóng tiếp xúc với toàn bộ bề mặt hạt cùng một lúc, vì vậy tất cả các mặt của hạt đều nhận được một lượng nhiệt như nhau. Vì toàn bộ bề mặt hạt đều nhận nhiệt lượng, nên cần phải tạo ra nhiệt độ cao hơn nhiều ở bề mặt của hạt để truyền cùng một lượng nhiệt vào hạt. Tốc độ truyền nhiệt do đối lưu phụ thuộc chủ yếu vào chênh lệch nhiệt độ giữa không khí và hạt cà phê, cũng như tốc độ luồng không khí tiếp xúc với hạt cà phê.

Những thập niên đầu thế kỷ XX, có rất nhiều ghi nhận về việc ứng dụng việc truyền nhiệt gián tiếp cho hạt cà phê, chủ yếu bằng cách đối lưu – không khí nóng đi từ nguồn nhiệt vào trống và làm nóng cà phê. Trong số này, máy rang trống gia nhiệt gián tiếp thành công về mặt thương mại đầu tiên là máy Thermalo của Jabez Burns, được giới thiệu vào năm 1934. Máy rang Thermalo của ông trộn khí nóng trong trống rang với không khí được đốt trong lò bên ngoài và sau đó chuyển hỗn hợp khí nóng qua trống. Do trống không tiếp xúc trực tiếp với ngọn lửa nên các trống rang gia nhiệt gián tiếp (thời kỳ đầu) thường sử dụng trống đục lỗ; các lỗ này cho phép không khí nóng đi qua trống để truyền nhiệt vào cà phê.

Sự khác biệt quan trọng nhất giữa máy rang trống được làm nóng trực tiếp và các loại máy rang khác là ở phương thức dẫn nhiệt. Sự dẫn nhiệt làm tăng nguy cơ cháy bề mặt hạt cà phê (đặc biệt nếu nhiệt độ hoặc tốc độ trống được đặt quá cao), nhưng một số nhà rang cho rằng truyền nhiệt trực tiếp cho phép họ tạo ra cà phê có hương vị thơm ngon hơn.

Trong máy rang gia nhiệt gián tiếp, bề mặt trống sẽ “mát hơn” so với trong máy rang trống cổ điển (tức máy rang trống gia nhiệt trực tiếp), do đó giảm nguy cơ cháy bề mặt hạt cà phê. Điều này cho phép nhiệt độ không khí nóng hơn – lên đến 500°C (theo mô tả của Jabez Burns trong bằng sáng chế của ông) được sử dụng trong quá trình rang. Nhiệt độ không khí nóng hơn cho phép rang nhanh hơn và cũng có lợi cho việc rang các mẻ lớn trong quy mô công nghiệp.

Nhược điểm lớn nhất của trống rang được gia nhiệt gián tiếp, cũng như bất kỳ máy rang nào sử dụng không khí nóng để truyền nhiệt, là luồng không khí phải cân bằng: Nhiệt sinh ra từ bộ phận đốt phải thích hợp cho hạt cà phê trong quá trình rang. Điều này có thể là một thách thức về mặt kỹ thuật. Vì nếu không kết hợp một số phương pháp tuần hoàn không khí nóng, máy rang gia nhiệt gián tiếp sẽ sử dụng nhiều nhiên liệu hơn máy rang trống cổ điển.

Nhận thức về tầm quan trọng của đối lưu không khí trong trống rang như một phương pháp truyền nhiệt đã mở đường cho sự phát triển của các loại máy rang mới. Từ giai đoạn này, hầu hết các máy rang đều sử dụng không khí nóng để làm nóng hạt cà phê, thay vì làm nóng trống rang trực tiếp. Bất chấp dự đoán của nhiều nhà sản xuất, máy rang khí nóng cho đến nay vẫn chưa thể thay thế hoàn toàn máy rang trống cổ điển – nhưng không nghi ngờ gì rằng sự phát triển của máy rang không khí nóng đã ảnh hưởng rất nhiều đến thiết kế của máy rang trống hiện đại và mang lại một sự thay đổi lớn trong cách cà phê được rang.

Trong sự phát triển của trống rang được gia nhiệt gián tiếp. Trống quay, vốn là một phần thiết yếu của máy rang được làm nóng trực tiếp, giờ đây không còn thực sự cần thiết trong các máy rang được làm nóng hoàn toàn bằng không khí nóng. Trong những máy như vậy, buồng rang có thể đứng yên; cà phê được khuấy bằng máy hoặc được trộn bằng luồng không khí đi qua máy. Sự phát triển của hệ thống tuần hoàn khí nóng đã góp phần vào thành công thương mại của các máy rang không khí nóng, bao gồm cả máy rang trống được gia nhiệt gián tiếp. Hệ thống tuần hoàn xử lý khí thải, loại bỏ vụn hữu cơ và khói, sau đó đưa khí nóng trở lại trống hoặc buồng đốt, do đó giảm lượng năng lượng cần thiết để làm nóng hạt cà phê. Trong trường hợp không có hệ thống tuần hoàn, máy rang dựa trên không khí nóng sử dụng nhiều nhiên liệu hơn máy rang trống cổ điển. Một số tài liệu ghi nhận hệ thống tuần hoàn không khí có thể giảm tiêu thụ năng lượng khoảng 25%.

Sơ đồ của máy rang trống gia nhiệt gián tiếp Jabez Burns vào năm 1935. Trong sáng chế này, bộ gia nhiệt nằm bên ngoài buồng rang. Lượng nhiệt cần thiết được truyền nhanh chóng đến cà phê bằng cách tăng thể tích dòng khí đi qua buồng rang thay vì tăng nhiệt độ. Điều này được thực hiện bằng cách tuần hoàn khí nóng bằng một quạt hút (19) được nối với vỏ máy rang đi từ buồng đốt (15) vào phần trung tâm của trống rang sau đó ra ngoài qua các lỗ trên thành trống. Các chất thải lớn sẽ rơi từ cyclone (24) vào ngăn chứa riêng, cho phép phần lớn khói và tạp chất (nhẹ) qua ống hồi (27) vào buồng đốt và phần còn lại được thải ra ngoài qua bộ xả (26). Quá trình này được tiếp tục, theo chu trình cho đến khi sản phẩm được rang đến màu sắc mong muốn.

Khi tầm quan trọng của không khí nóng được thiết lập, bước đi không tránh khỏi là loại bỏ hoàn toàn nhiệt trực tiếp trên trống và chỉ làm nóng máy rang bằng không khí nóng. Máy rang trống gia nhiệt gián tiếp theo nguyên tắc này bắt đầu xuất hiện vào đầu thế kỷ XX với tên gọi là máy rang tầng sôi.

Tầng sôi (fluidised bed) là khái niệm chỉ một hệ các hạt rắn (trong trường hợp này là cà phê) lơ lửng trong dòng khí hướng lên (trong trường hợp này là khí rang). Luồng không khí hướng lên tạo ra lực cản (ma sát ) đối với hạt, lực này tăng lên theo tốc độ của luồng không khí. Khi luồng không khí đủ mạnh để lực cản trở nên tương đương với trọng lượng của hạt cà phê, toàn bộ lớp hạt sẽ trở nên “sôi”.

Ứng dụng công nghiệp đầu tiên của thiết bị rang tầng sôi cho cà phê là vào năm 1922, Heinrich Caasen là người đầu tiên áp dụng nguyên tắc này vào quá trình rang cà phê; ông đã nộp bằng sáng chế cho một máy rang cà phê tầng sôi vào năm 1926.

Chi tiết từ bằng sáng chế của Gothot Rapido-Nova cho máy rang tuần hoàn khí nóng, vào năm 1969. Trong chiếc máy này, trống rang được cố định, nên cà phê được khuấy đảo trong trống bằng cánh khuấy cơ học (13) và được làm nóng (đồng thời khuấy động hơn nữa) bằng không khí nóng thổi vào trống (16). Vì các đặc tính khuấy trộn cơ học của thiết kế máy rang này hơi giống với các máy rang tầng sôi, do đó máy rang trống cố định (fixed-drum) còn được gọi là máy rang “bán tầng sôi” (semi-fluidised beds). Probat đã mua lại bằng sáng chế của Gothot bảy năm sau đó và công ty sử dụng thiết kế cơ bản này cho dòng máy rang cà phê công nghiệp Jupiter của họ.
Đây là bằng sáng chế năm 1972 của Probat cho máy rang tuần hoàn khí nóng tích hợp bộ đốt sau. Trong thiết kế này, nguyên tắc vận hành khá giống với bằng sáng chế của Jabez Burns vào năm 1935. Tuy nhiên, để đưa các khí rất nóng từ đầu đốt (có thể lên đến 800°C) xuống nhiệt độ có thể sử dụng cho quá trình rang, không khí lạnh có thể được đưa vào (17) và các khí nóng dư chảy ra ống xả (27).

Tuy nhiên, phải mất 30 năm sau, với rất nhiều phát minh nối tiếp máy rang tầng sôi mới được thương mại hóa. Đi tìm về lịch sử của công cuộc này là một công việc khó khăn, giống như câu hỏi ai đã phát minh ra máy pha cà phê Espresso, sự phát triển của máy rang không khí nói chung và máy rang tầng sôi nói riêng, là một câu chuyện về sự tiến bộ không ngừng, thay vì một khoảnh khắc duy nhất đã biến đổi ngành công nghiệp. Chúng tôi khuyến khích bạn tò mò về chủ đề này, tuy nhiên trong phạm vi của cuốn sách này, chúng tôi sẽ không đề cập chi tiết hơn nữa.

Một trong những ưu điểm nổi bật khi đề cập đến máy rang tầng sôi, là chúng cho phép truyền nhiệt hiệu quả đến hạt cà phê và cho phép rang nhanh hơn so với bất kỳ loại máy rang nào. Khối lượng lớn không khí nóng giúp nâng và trộn hạt, tạo ra rất nhiều nhiệt cho chúng. Bởi vì cà phê không chạm vào bất kỳ bề mặt nào trong thời gian dài, hầu như không có nguy cơ bị cháy bề mặt, cho phép sử dụng nhiệt độ không khí cao.

Nhờ thời gian rang ngắn và truyền nhiệt hiệu quả, máy rang tầng sôi có thể lý tưởng cho quá trình rang quy mô công nghiệp. Nhưng nó cũng có những ảnh hưởng khác biệt đến cấu trúc của cà phê rang và hương vị sau cùng.

Luồng không khí quá nhiều có thể loại bỏ một số hợp chất tạo mùi thơm hoặc làm khô hạt cà phê quá nhanh, dẫn đến cà phê bị xẹp hoặc xỉn màu. Đồng thời, với thiết kế tầng sôi, luồng không khí phải đảm bảo tốc độ cần thiết cho quá trình sôi, vì vậy máy rang không thể giảm luồng không khí để làm thay đổi cấu hình rang.

Cuối cùng, máy rang tầng sôi có ít bộ phận chuyển động hơn máy rang trống. Không cần quay thùng (trống) quay hoặc cánh trộn, do đó chúng thường đáng tin cậy và ít cần bảo trì hơn. Chúng cũng dễ dàng giữ sạch hơn vì sự tiếp xúc hạn chế giữa hạt cà phê và các bề mặt bên trong máy rang; vụn hữu cơ, khói và dầu được thổi ra khỏi buồng một cách hiệu quả trong quá trình rang.

Bản vẽ nguyên lý máy rang tầng sôi của Heinrich Caasen. Cà phê được đưa vào sàng (d) và sau đó được làm “sôi” bằng không khí nóng thổi vào từ thiết bị trao đổi nhiệt (a). Sau khi rang, quạt thứ hai sẽ hút cà phê vào buồng (m) để làm mát.

Chi tiết từ bằng sáng chế năm 1944 của Goldfine cho máy rang tầng sôi không đối xứng

Trong một bằng sáng chế được nộp vào năm 1941, nhà sáng chế Wesley Goldfine mô tả một máy rang cà phê tầng sôi bất đối xứng. Nhằm khắc phục nhược điểm chính của máy rang tầng sôi trước đó: tốc độ không khí cao có thể làm sôi nhiều lớp hạt hơn, nhưng chúng có nguy cơ thổi bay một số hạt cà phê ra khỏi buồng rang, đặc biệt là vào cuối quá trình rang khi hạt cà phê đã trở nên nhẹ, xốp hơn.

Trong thiết kế này, không khí nóng được bơm vào buồng rang với tốc độ cao qua một cửa vào ở chân máy rang (20). Làm cho hạt cà phê luân chuyển trong buồng (19) với tốc độ lên đến 3.600 vòng/phút. Một vách ngăn (21) sẽ hướng hạt cà phê xuống dưới một lần nữa vào dòng khí nóng. Theo mô tả của Goldfine, với thiết kế không đối xứng này, khối hạt rang sẽ được lưu chuyển với ít khí hơn (so với việc làm sôi hoàn toàn lớp hạt) và truyền nhiệt vào hạt hiệu quả hơn. Quá trình rang có thể diễn ra chỉ trong 3 phút ở nhiệt độ không khí 240°C.

Hãy là người đầu tiên chia sẻ bài đăng này!

Bài đăng mới

Máy Pha Cà Phê Espresso

Theo từ điển Merriam-Webster, Espresso được định nghĩa là “cà phê được pha bằng cách ép hơi nước hoặc nước nóng qua các hạt cà

Hạt Mịn (Fine)

Hạt cà phê là một ma trận ba chiều phức tạp của các sợi cellulose được phủ bằng dầu và các chất rắn khác. Những