Vì sao airflow ảnh hưởng đến truyền nhiệt và độ đồng đều của hạt?

Hai mẻ cà phê có cùng nhiệt độ đầu dò, cùng thời gian rang và cùng mức phát triển sau First Crack vẫn có thể cho kết quả khác nhau. Một trong những nguyên nhân nằm ở yếu tố thường bị xem nhẹ khi đọc biểu đồ rang: luồng khí bên trong máy.

Airflow không đơn giản là chiếc quạt dùng để hút khói hoặc làm nguội hạt. Trong máy rang, dòng khí tham gia vào quá trình truyền nhiệt, vận chuyển hơi ẩm, cuốn vỏ lụa và các sản phẩm bay hơi ra khỏi buồng rang. Thay đổi airflow đồng nghĩa với việc thay đổi điều kiện vật lý mà hạt cà phê tiếp nhận trong suốt quá trình gia nhiệt.

Muốn hiểu vì sao một hồ sơ rang thay đổi khi chỉnh quạt hút, cần nhìn vào máy rang như một hệ thống truyền nhiệt và truyền khối, thay vì chỉ nhìn vào đường nhiệt độ Bean Temperature.

Nhiệt đi vào hạt cà phê bằng những con đường nào?

Trong máy rang, nhiệt có thể truyền đến hạt qua ba cơ chế cơ bản: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Tỷ trọng của từng cơ chế phụ thuộc vào thiết kế máy, nguồn nhiệt, cấu tạo trống, tốc độ quay và điều kiện vận hành.

Dẫn nhiệt xảy ra khi hạt tiếp xúc với bề mặt trống nóng hoặc tiếp xúc với các hạt khác. Cơ chế này đặc biệt đáng quan tâm trong máy rang trống, nơi hạt liên tục đảo và tiếp xúc với thành trống.

Đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt giữa dòng khí nóng và bề mặt hạt. Khi luồng khí chuyển động, nó mang năng lượng nhiệt đến vùng tiếp xúc và đồng thời vận chuyển hơi nước cùng các chất bay hơi ra khỏi buồng rang.

Bức xạ nhiệt xuất hiện từ các bề mặt nóng và nguồn nhiệt trong máy. Mức đóng góp của bức xạ phụ thuộc vào hình học buồng rang, nhiệt độ bề mặt và đặc điểm thiết kế.

Không có một tỷ lệ cố định giữa ba cơ chế này cho mọi máy rang. Một máy rang trống, một máy rang khí nóng và một máy rang tầng sôi có trường dòng chảy và cơ chế truyền nhiệt khác nhau.

Airflow tác động đến nhiệt độ hạt bằng cách nào?

Trong truyền nhiệt đối lưu, một biểu thức đơn giản thường được sử dụng là:

Airflow có thể ảnh hưởng đến hệ số truyền nhiệt đối lưu, nhưng không phải theo một tỷ lệ tuyến tính đơn giản. Khi tăng lưu lượng khí, vận tốc và trạng thái dòng chảy quanh hạt có thể thay đổi; từ đó làm thay đổi hiệu quả trao đổi nhiệt.

Tuy nhiên, lượng khí nóng đi qua buồng rang cũng mang theo một lượng năng lượng phụ thuộc vào nhiệt độ và lưu lượng khối lượng của nó. Nếu thay đổi airflow mà không điều chỉnh hoặc ghi nhận công suất gia nhiệt, điều kiện năng lượng tổng thể của hệ thống cũng thay đổi.

Đây là lý do hai thao tác tăng quạt hút và tăng công suất burner không thể được xem là hai cách tương đương để làm tăng nhiệt cho hạt.

Luồng khí còn vận chuyển những gì ra khỏi hạt?

Trong quá trình rang, hạt cà phê mất nước và giải phóng nhiều hợp chất dễ bay hơi. Đồng thời, vỏ lụa tách khỏi hạt và được cuốn theo dòng khí đến hệ thống thu gom hoặc cyclone.

Luồng khí vì vậy thực hiện đồng thời hai nhiệm vụ:

• Đưa năng lượng nhiệt vào vùng rang thông qua dòng khí nóng.
• Vận chuyển hơi nước, vỏ lụa, khói và các hợp chất bay hơi ra khỏi buồng rang.

Nếu hệ thống thoát khí không phù hợp với cấu tạo máy và tải rang, khói hoặc các sản phẩm bay hơi có thể lưu lại lâu hơn trong vùng rang. Điều này làm thay đổi môi trường mà hạt tiếp xúc, nhưng không có nghĩa cứ tăng hút khí là tự động tạo ra tách cà phê sạch hơn.

Nghiên cứu mô phỏng đã quan sát được gì?

Nghiên cứu của Chiang, Wu và Kang, công bố trong Journal of Food Process Engineering, sử dụng mô phỏng phần tử hữu hạn để khảo sát động lực học chất lưu và truyền nhiệt trong một máy rang cà phê thực tế.

Nhóm tác giả xác định công suất nguồn nhiệt và vận tốc khí tại cửa thoát là những thông số quan trọng ảnh hưởng đến phân bố nhiệt độ và vận tốc bên trong buồng rang. Mô hình cũng ghi nhận nhiệt độ bên trong hạt không đồng đều trong 60 giây đầu tiên. Sau đó, trong khoảng 100–720 giây, nhiệt độ trong hạt dần trở nên đồng đều hơn trong điều kiện mô phỏng được khảo sát.

Đây là một kết quả quan trọng đối với người thiết kế máy rang: nhiệt độ đo được ở một vị trí không thể đại diện hoàn toàn cho trường nhiệt độ bên trong mọi hạt cà phê.

Một hướng nghiên cứu khác của Alonso-Torres và cộng sự sử dụng CFD để mô phỏng truyền nhiệt và truyền khối trong từng hạt cà phê. Nhóm tác giả đã so sánh kết quả tính toán với thí nghiệm rang một hạt trong ống thủy tinh bằng dòng khí nóng. Mô hình cho thấy khả năng dự đoán tương đối phù hợp với dữ liệu thực nghiệm của thiết kế này.

Đến năm 2025, Al-Shemmeri và cộng sự phát triển mô hình rang theo mẻ cho máy rang tầng phun (spouted bed roaster), hiệu chỉnh bằng dữ liệu thực nghiệm từ các thử nghiệm rang quy mô pilot. Các biến đầu vào bao gồm khối lượng mẻ, airflow và nhiệt độ khí đầu vào.

Những nghiên cứu này cùng chỉ ra rằng airflow không phải một thông số phụ. Nó là một phần của bài toán cân bằng năng lượng và truyền khối trong máy rang.

Vì sao không thể sao chép một mức airflow giữa hai máy?

Một mức quạt 50% trên máy này không có nghĩa là cùng một lưu lượng khí với mức 50% trên máy khác. Độ mở van, đường kính ống, trở lực cyclone, cấu tạo buồng rang và đặc tính quạt đều ảnh hưởng đến lưu lượng thực tế.

Đối với máy rang không có lưu lượng kế, người vận hành có thể bắt đầu bằng việc hiệu chuẩn tương quan giữa vị trí van, áp suất hút và nhiệt độ khí thoát. Khi có điều kiện, nên đo trực tiếp lưu lượng hoặc vận tốc khí tại vị trí đã xác định.

Thiết kế một thử nghiệm airflow có giá trị

Thay vì thay đổi đồng thời quạt, burner và tốc độ trống, nên thực hiện một phép thử có đối chứng.

Sử dụng cùng một lô cà phê nhân xanh, cùng khối lượng mẻ, độ ẩm ban đầu và nhiệt độ nạp. Giữ các thông số khác cố định, sau đó thay đổi airflow theo từng mức đã hiệu chuẩn trên chính máy đang sử dụng.

Ghi lại tối thiểu:

• Bean Temperature và Environmental Temperature theo thời gian.
• RoR tại các giai đoạn quan trọng.
• Nhiệt độ khí đầu vào và khí thoát nếu có cảm biến.
• Vị trí van, áp suất hút hoặc lưu lượng khí đo được.
• Thời gian rang, thời gian phát triển sau First Crack và tỷ lệ hao hụt khối lượng.
• Màu hạt sau rang, mức đồng đều và kết quả cupping.

Điểm quan trọng là so sánh kết quả khi đã kiểm soát những điều kiện đầu vào. Nếu một mẫu có thời gian rang ngắn hơn, màu khác và TDS pha khác, không thể quy toàn bộ thay đổi đó cho airflow nếu các thông số khác cũng đã thay đổi.

Airflow là một biến điều khiển, không phải nút chỉnh hương vị

Người rang thường nói tăng airflow để làm tách cà phê sạch hơn hoặc giảm airflow để giữ nhiệt. Đây có thể là những kinh nghiệm hữu ích trên một thiết bị cụ thể, nhưng không nên biến chúng thành quy luật chung.

Luồng khí cần được xem trong mối quan hệ với nguồn nhiệt, khối lượng mẻ, nhiệt độ khí đầu vào, trở lực hệ thống và đặc tính hạt. Chỉ khi hiểu được các mối quan hệ đó, người rang mới có thể điều chỉnh airflow một cách có chủ đích và lặp lại được.

Đối với người thiết kế máy rang, airflow còn là một bài toán kỹ thuật quan trọng trong việc phân bố nhiệt, giảm vùng chết, kiểm soát khói và xây dựng khả năng rang ổn định giữa các mẻ.

Muốn đi sâu hơn vào những biến đổi hóa học xảy ra sau khi hạt hấp thụ nhiệt, có thể đọc thêm bài Acid Chlorogenic trong cà phê rang trên thư viện SAVINA.

Nguồn tham khảo

1. Chiang, C.-C., Wu, D.-Y., & Kang, D.-Y. (2017). Detailed Simulation of Fluid Dynamics and Heat Transfer in Coffee Bean Roaster. Journal of Food Process Engineering, 40(2), e12398. https://doi.org/10.1111/jfpe.12398
2. Alonso-Torres, B., Hernández-Pérez, J. A., Sierra-Espinoza, F., Schenker, S., & Yeretzian, C. (2013). Modeling and validation of heat and mass transfer in individual coffee beans during the coffee roasting process using computational fluid dynamics (CFD). Chimia, 67(4), 291–294. https://doi.org/10.2533/chimia.2013.291
3. Al-Shemmeri, M., Fryer, P. J., Farr, R., & Lopez-Quiroga, E. (2025). Batch-scale simulation of heat and mass transfer of coffee roasting in spouted bed roasters. Beverages, 11(6), 162. https://doi.org/10.3390/beverages11060162