انواع انتقال حرارت در برشته‌سازی قهوه: هدایت، تابش و جابجایی

مقدمه: چرا شناخت انتقال حرارت در رست قهوه حیاتی است؟

برشته‌سازی قهوه فرآیندی است که بر پایه‌ی کنترل دقیق حرارت انجام می‌شود .بدون درک چگونگی انتقال حرارت به دانه‌های قهوه، طراحی پروفایل بهینه و دستیابی به کیفیت مطلوب در طعم و عطر تقریباً غیرممکن خواهد بود.

سه نوع اصلی انتقال حرارت در دستگاه‌های برشته‌سازی وجود دارد:

• هدایت (Conduction)
• تابش (Radiation)
• جابجایی (Convection)

هرکدام از این مکانیزم‌ها، بسته به طراحی دستگاه و نحوه مدیریت انرژی، تأثیر متفاوتی بر روند رست دارند.  معمولا در حجم رستر های با ظرفیت بالای 30 کیلوگرم انرژی به صورت جا به جایی هوای گرم HOT AIR   است و در دسته حجم های کوچکتر دو نوع دیگر برای برشته کاری دسته قهوه هایی که مصارف تجاری دارند پیشنهاد میدهیم که اولویت خرید دستگاه چرخش هوای گرم باشد .

۱. هدایت حرارتی (Conduction)

تعریف هدایت حرارتی

هدایت فرآیند انتقال حرارت از یک جسم گرم‌تر به جسم سردتر از طریق تماس مستقیم است.

مثال در رست قهوه:
تماس دانه‌های قهوه با سطح داغ درام دستگاه برشته‌سازی.

نکته:
در دستگاه‌های درام سنتی مانند Probat یا Giesen، بخش قابل توجهی از حرارت از طریق هدایت منتقل می‌شود. قالب دستگاه های موجود وارداتی یا ساخت ایران از این دسته هستند .

تاثیر هدایت بر کیفیت رست

• هدایت قوی باعث افزایش یکنواختی گرمایش داخلی دانه‌ها می‌شود.
• اگر بیش از حد باشد → خطر سوختگی سطح دانه (Scorching).
• کنترل مناسب تماس دانه و سطح داغ بسیار مهم است. این یک موضوع مهم در انتخاب دور درام و میزان حجم انتخابی شارژ درون دستگاه هست که چه میزان از سطح برخورد استاندارد رو در این نوع شاهدیم . قالبا با انتخاب 70 درصد از ظرفیت اسمی درام رستر و حد 60 درصد از قدرت RPM  به یک نتیجه مطلوب میرسیم . نکته حائز اهمیت در نوع تک جداره و دو جداره بودن دستگاه رستر میباشد این دو نوع اگر در حالت تک جداره باشد سرعت بالای درام انتخاب میشود به دلیل انتقال بالای حرارت و در درام دو جداره بالعکس با سرعتی کمتر دور درام انتخاب و رست آغاز میشود .

۲. تابش حرارتی (Radiation)

تعریف تابش حرارتی

تابش انتقال انرژی گرمایی به صورت امواج الکترومغناطیسی (عموماً مادون قرمز) بدون نیاز به تماس مستقیم است. این نوع انتقال حرارت در رستر های بولت ایلیو در حجم 1 کیلوگرم دیده میشود . دقت بالای کنترل میزان انتقال انرژی و نمودار پروفایل رست در این ماشین برشته کاری سبب این شد که انتخاب برشته کارانی باشد که دقت بالای لابراتور یا برشته کاری قهوه های یا امتیاز مثبت 90 رو داشته باشند . البته این نوع دسگاه برشته کاری برای کافه رستری هایی که تصور و توقع حجم رست بالا رو متصور هستند مناسب نیست .

مثال در رست قهوه:
انتقال حرارت از دیواره‌ی داغ درام یا المنت‌های برقی به دانه‌های قهوه.

نکته:
تابش نقش مهمی در حرارت‌دهی ملایم و یکنواخت لایه‌ی بیرونی دانه دارد.

تاثیر تابش بر رست قهوه

• تابش کنترل‌شده کمک می‌کند تا سطح دانه به آرامی قهوه‌ای شود.
• تابش بیش از حد → ممکن است منجر به رست سطحی بدون توسعه داخلی شود (Baked Coffee).

۳. جابجایی حرارتی (Convection)

تعریف جابجایی حرارتی

جابجایی فرآیندی است که طی آن حرارت از طریق حرکت سیال (معمولاً هوا) از منبع گرم به جسم سرد منتقل می‌شود.

مثال در رست قهوه:
هوا داغ که از میان توده‌ی در حال چرخش دانه‌های قهوه عبور می‌کند. در رستر های حجم بالاتر که درصد برخورد دانه با سطح درام کمتر است این نوع انتقال انرژی انتخاب میشود و بهبود عملکردی بالاتری در قهوه هایی با چگالی و رطوبت کمتر به نسبت ماشین رستر های با انتقال انرژی همرفتی دارند و این امر موجب تمایز عملکرد این سیستم شده است .

نکته:
در دستگاه‌های بستر سیال (Fluid Bed Roasters)، جابجایی اصلی‌ترین مکانیسم انتقال حرارت است.

تاثیر جابجایی بر کیفیت رست

• جابجایی قوی موجب افزایش سرعت خشک‌سازی و زرد شدن کامل رنگ قهوه می‌شود.
• توزیع یکنواخت حرارت توسط جریان هوا، رستهمگن‌تر ایجاد می‌کند.
• کنترل سرعت جریان هوا، کلید جلوگیری از مشکلاتی چون Tip Scorching (سوختگی نوک دانه‌ها) است.

۴. نمودار تخصصی: سهم نسبی هدایت، تابش و جابجایی در رست قهوه

جدول سهم هدایت، تابش و جابجایی در فرآیند برشته‌سازی قهوه

۵. چطور تعادل بین انواع انتقال حرارت را در رست قهوه مدیریت کنیم؟

نکات کلیدی:

• افزایش جابجایی:  کنترل بهتر روی خشک‌سازی اولیه و یکنواختی حرارتی
• افزایش هدایت:  توسعه بهتر ساختار داخلی دانه، اما ریسک سوختگی بیشتر
• افزایش تابش:  تقویت عطرها و طعم‌های کاراملی، در صورتی که مدیریت شود

راهبرد طلایی:

بهترین پروفایل‌های رست، آن‌هایی هستند که تعادلی هوشمندانه میان هدایت، تابش و جابجایی برقرار کرده باشند.

نتیجه‌گیری: علم حرارت، قلب برشته‌کاری قهوه

شناخت عمیق نحوه‌ی انتقال حرارت در رست قهوه به برشته‌کار این امکان را می‌دهد که:

• سرعت و شدت واکنش‌های شیمیایی را کنترل کند
• توسعه‌ی یکنواخت طعمی و آروماتیک ایجاد کند
• از رست‌های ناقص یا سوخته جلوگیری نماید

در نهایت، مدیریت دقیق هدایت، تابش و جابجایی همان چیزی است که یک رست متوسط را از یک رست فوق‌العاده متمایز می‌کند.