تأثیر رطوبت بر انتقال حرارت در فرآیند برشته‌کاری قهوه

چرا رطوبت در برشته‌کاری قهوه مهم است؟

میزان تأثیر رطوبت بر انتقال حرارت به داخل دانه بسیار با اهمبت است. قهوه‌ای که محتوای رطوبتی بالاتری دارد، در طول فرآیند برشته‌کاری به گرمای بیشتری نیاز دارد، زیرا آب برای گرم شدن به انرژی زیادی احتیاج دارد.

✔ قهوه با رطوبت بیشتر می‌تواند دماهای بالاتری را در دستگاه برشته‌کاری تحمل کند، زیرا آب به دانه کمک می‌کند تا گرما را از سطح به مرکز منتقل کند.
✔ بنابراین قهوه با رطوبت بالا هم اجازه می‌دهد و هم نیاز دارد که در مراحل اولیه برشته‌کاری، گرمای بیشتری به آن اعمال شود.

تأثیر رطوبت بر انتقال حرارت در مراحل اولیه برشته‌کاری

هرچه میزان رطوبت قهوه سبز بیشتر باشد، رسانایی حرارتی آن برای انتقال گرما بهتر است (Farah 2020). این موضوع کمک می‌کند تا گرما از سطح دانه به مرکز آن در مراحل اولیه برشته‌کاری، قبل از تبخیر رطوبت، منتقل شود.

قهوه با رطوبت بالا همچنین دارای ظرفیت گرمایی ویژه بالاتری است (Pérez–Alegría et al 2001). این بدان معناست که برای بالا بردن دمای دانه، انرژی بیشتری نیاز است.

اما مهم‌ترین اثر رطوبت، مقدار انرژی موردنیاز برای تبخیر آب است. آب هنگام تبخیر انرژی جذب می‌کند و این انرژی را هنگام خروج از دانه به‌صورت بخار با خود می‌برد.

✔ نتیجه: افزایش دمای دانه‌هایی با رطوبت بیشتر در ابتدای برشته‌کاری آهسته‌تر اتفاق می‌افتد (Schenker 2000).

رطوبت چه زمانی تبخیر می‌شود؟

تبخیر رطوبت، مرکز دانه را خنک نگه می‌دارد تا زمانی که دمای دانه به حدود ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد (۳۰۲ درجه فارنهایت) برسد — در این نقطه بیشتر آب آزاد تبخیر شده است (Fernandes 2019).

پس از این مرحله، نرخ افزایش دما در داخل دانه شروع به شتاب گرفتن می‌کند (Bonnländer et al 2005).

جبهه تبخیر در برشته‌کاری قهوه چیست؟

در ابتدای برشته‌کاری، دمای دانه در نزدیکی سطح آن سریع‌تر افزایش می‌یابد و گرما به‌آرامی به لایه‌های داخلی منتقل می‌شود. بنابراین، رطوبت نزدیک سطح دانه زودتر تبخیر شده و یک لایه بخار آب در قسمت بیرونی دانه ایجاد می‌کند. به این لایه «جبهه تبخیر» گفته می‌شود.

✔ جبهه تبخیر از سطح دانه شروع شده و با افزایش دما در داخل دانه، به‌تدریج به سمت داخل حرکت می‌کند.
✔ رطوبت موجود در این لایه هنگام تبخیر، انرژی گرمایی را از قسمت بیرونی دانه جذب می‌کند، بنابراین جبهه تبخیر مانع رسیدن این گرما به بخش‌های داخلی‌تر می‌شود.

با از دست دادن رطوبت، لایه سطحی همچنین در رساندن گرما به مرکز دانه کمتر مؤثر است. علاوه بر این، لایه سطحی دانه با افزایش فشار بخار متورم می‌شود. با گسترش ساختار دانه و افزایش تخلخل آن، رسانایی حرارتی کاهش می‌یابد زیرا حفره‌ها خاصیت عایقی دارند.

چرا جبهه تبخیر مهم است؟

جبهه تبخیر مانع از رسیدن گرما به مرکز دانه می‌شود. در لایه بیرونی دانه (۱)، ساختار دانه منبسط و متخلخل است و رطوبت کمی دارد، بنابراین گرما را به‌خوبی به لایه‌های داخلی منتقل نمی‌کند.

✔ این امر باعث ایجاد اختلاف دمای شدید بین بیرون و داخل دانه می‌شود.
✔ در جبهه تبخیر (۲)، رطوبت به بخار تبدیل می‌شود و گرما را هنگام این فرآیند جذب می‌کند.
✔ مرکز دانه (۳) که متراکم‌تر و دارای رطوبت بیشتری نسبت به سطح است، گرما را بهتر از سطح هدایت می‌کند، بنابراین دمای مرکز یکنواخت‌تر است.

نتیجه: جبهه تبخیر با افزایش دمای دانه به سمت داخل حرکت می‌کند.

تأثیر رطوبت هوای داخل برشته‌کار بر فرآیند برشته‌کاری

میزان رطوبت هوای داخل برشته‌کار نیز بر نرخ انتقال حرارت تأثیر دارد. هوای مرطوب دارای ظرفیت گرمایی ویژه بالاتری نسبت به هوای خشک است. این به این معناست که در دمای یکسان، انرژی بیشتری در خود دارد.

✔ بنابراین هوای مرطوب می‌تواند انرژی گرمایی را به‌طور مؤثرتری به دانه‌ها منتقل کند.
✔ اگر هوای داخل برشته‌کار دارای رطوبت بیشتری باشد، فرآیند برشته‌کاری کمی سریع‌تر انجام می‌شود (Schenker 2000).

هوای خشک در مقابل هوای مرطوب در برشته‌کاری

در یک برشته‌کار با هوای داغ و دمای ثابت، قهوه زمانی که هوای برشته‌کاری مرطوب باشد، سریع‌تر برشته می‌شود نسبت به زمانی که خشک باشد.

درجه برشته‌شدن در این نمودار با Organic Roast Loss (ORL) نشان داده شده است، یعنی درصد کاهش جرم دانه‌ها، بدون در نظر گرفتن رطوبت. (منبع: Schenker 2000)

✔ برخی برشته‌کارهای صنعتی امکان کنترل رطوبت گازهای برشته‌کاری را فراهم می‌کنند.
✔ برشته‌کارهای چرخشی (Recirculating Roasters) معمولاً محیطی با رطوبت بالاتر در داخل محفظه برشته‌کاری نسبت به سایر انواع برشته‌کارها دارند (Schenker 2000).

منبع:باریستا هاسل