พลังงานความร้อน กับการคั่วกาแฟ Heat Transfer in coffee Roaster Fundamental

Last updated: 2021-10-04  |  100 จำนวนผู้เข้าชม  | 

พลังงานความร้อน กับการคั่วกาแฟ  Heat Transfer in coffee Roaster Fundamental

พลังงานความร้อน กับการคั่วกาแฟ  Heat Transfer in coffee Roaster Fundamental


วันนั้นเราเชิญ ผู้เชี่ยวชาญด้านกาแฟ ทางการออบแบบทางวิศวกรรม นักประดิษฐ์ท่านหนึ่งมาเยือนฮิลล์คอฟฟ์ เขาขอให้เราปกปิดชื่อเสียงเรียงนาม ด้วยเป็นคนไม่ค่อยสนใจแสงเท่าไหร่ และชอบทำงาน


ก่อนเริ่มหารือกัน เขาขออนุญาตเดินสำรวจร้านจำหน่ายอุปกรณ์ เครื่องชงกาแฟของเรา สินค้าที่เราเสาะหาจากทั่วโลกวางเรียงราย ดูไปกดมือถือไป เดินชมร้านพอสมควรแล้วจึงพาเข้าประเด็น…. ถามว่าคุณกำลังทำอะไร เขาบอกว่ากำลังตรวจสอบสิทธิบัตรการประดิษฐ์ …เอ้าวววววนั่น… เอาเข้าไป….IP ( Intellectual Property) เป็นสิ่งที่นักออกแบบระดับโลก ต้องใส่ใจ และปกป้องมัน ….เป็นการเดินชมร้านที่ดูเท่ห์ปนคุกคามเล็กน้อย ปล่อยเขาเพลิดเพลินไป…...ซักครู่เขาก็เข้ามาอธิบายเรื่องการเดินทางการออกแบบจากรุ่นสู่รุ่นของเครื่องบดกาแฟ…..นะ เรานัดกันคุยเรื่องการคั่วกาแฟ…..อดใจรอ


ว่าแต่ …..วันนี้เราเชิญเขามาคุยเรื่องการออกแบบเครื่องคั่วกาแฟที่เพิ่งเดินทางมาติดตั้ง ก่อนเจ้าของจะมาถึง แล้วก็นั่งลงเล่าให้เราฟังเรื่องการทำงาน แรงบันดาลใจ จนถึงแนวคิดการออกแบบ


เขาเล่าว่าเครื่องคั่วกาแฟที่เขาชอบมากที่สุด คือเครื่องที่ใช้พลังานจากฟืน ซึ่งปัจจุบันแทบไม่มีคนใช้แล้ว เขาตัดสินใจซื้อบริษัทที่ผลิตเครื่องคั่วนี้เอาไว้ เสมือนเครื่องลายครามและความทรงจำแสนประทับใจ

 

เมื่อเขาลงมือออกแบบเครื่องคั่วกาแฟ เขาใส่ใจเรื่องการถ่ายเทพลังงานความร้อน เขาจึงเริ่มต้นจากการศึกษาคุณสมบัติของวัตถุต่าง  ๆ ที่สามารถมาเป็นวัตถุดิบในการออกแบบได้ เขานำเหล่าโลหะแบบอุตสาหกรรมทุกชนิด ทุกเบอร์มาทดสอบ รวมไปถึง อโลหะ เช่น ไม้ชนิดต่าง ๆ


เริ่มจาก การทดสอบการนำ เมื่อเรามีวัตถุชิ้นหนึ่ง ที่มีความสามารถในการถ่ายเทพลังงาน เราจึงปล่อยความร้อนในค่าคงที่ที่ปลายด้านหนึ่งของมัน และวัด เวลาและอุณหภูมิที่สูงขึ้นที่ปลายอีกด้านหนึ่งของมัน เราจะพบว่าในบรรดาวัตถุมากมายต่างมีความเร็วและประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนแตกต่างกันไป

 

ทั้งหมด เขาจดบันทึก ทดลองซ้ำ จนค้นพบโลหะที่ให้ค่าความร้อนที่เหมาะสมที่จะนำมันมาออกแบบถังคั่วกาแฟ


การทดลองอย่างง่าย ๆ นี้นำไปสู่การออกแบบเครื่องคั่วกาแฟที่ใช้พลังงานจากรังสีอินฟาเรด Infrared Radiation เป็นพลังงานหลักสำหรับการคั่วแบบ speed จนได้รับการยอมรับและแพร่หลายในปัจจุบัน


เช่นเดียวกับนักคั่วกาแฟ Roastmaster ทั้งหลาย ก่อนจะไปสู่ระดับอาชีพ ต้องเข้าใจหลักการทฤษฎีพื้นฐานและทดลองซ้ำแล้วซ้ำเล่าจนเข้าใจสมมติฐานข้อพิสูจน์ทางวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับการคั่วกาแฟทั้งหมด


การให้พลังงานสู่เมล็ดกาแฟ เป็นพลังงานความร้อน ความร้อนช่วยลายพันธะเคมีสารประกอบเมล็ดกาแฟจนเปลี่ยนแปลงเกิดกลิ่นรส และพาเปลี่ยนไปเรื่อย ๆ หากเรายังไม่หยุดให้พลังงาน สุดท้ายหากยังไม่หยุดกาแฟจะรับพลังงานจนถึงจุดเผาไหม้ emersion burn


เมื่อมั่นใจว่ารสชาติถึงจุดสมบูรณ์ที่ต้องการเราต้องหยุดกระบวนการเปลี่ยนแปลงต่าง ๆ ให้ทัน แน่นอนพลังงานต้องสงบลง


การถ่ายเทความร้อน(การให้พลังงาน) Heat Trasfer ในการคั่วกาแฟ ถูกออกแบบมาให้เข้าไปจัดการสลายพันธะเคมีต่าง ๆ ในเมล็ดกาแฟ อันจะนำไปสู่กลิ่นรสแบบที่เราชอบ (ขายได้ลูกค้าก็ชอบด้วย)


เครื่องคั่วกาแฟแบบ DRUM  ROASTER  สามารถให้พลังงานจาก 3 แหล่ง


1. การนำความร้อน CONDUCTION


- เราทุกคนล้วนรู้จักการนำความร้อนในชีวิตประจำวันเป็นอย่างดี เช่น มือที่ระวังว่าแก้วเซรามิคจะร้อนลวกมือ หรือ การต้มน้ำด้วยหม้อ   เมื่ออนุภาคของโลหะได้รับพลังงาน อนุภาคซึ่งเรียงตัวกันอย่างหนาแน่นจะไม่มีการขยับตัวแต่จะส่งถ่ายความร้อนหรือพลังงานนั้นจากที่ที่มีอุณหภูมิสูงไปยังที่ที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า แก้วเซรามิตรับความร้อนจากกาแฟร้อน ๆ และส่งถ่ายนำความร้อนมายังมือเรา หม้อต้มน้ำรับพลังงานแก๊ซที่เผาไหม้นำความร้อนไปยังตัวหม้อ ร้อนจาก้นหม้อไปจนถึงหูจับของหม้อ

- โลหะใดที่นำไฟฟ้าได้ดีมักเป็นโลหะที่มีความสามารถในการนำความร้อนสูง โลหะเงินมีความสามารถในการนำความร้อนได้สูงมาก เมื่อเทียบกับเหล็กหรือตะกั่ว

- การออกแบบดรัมคั่ว Roasting Drum จำเป็นต้องเลือกโลหะ หรือส่วนผสมโลหะธาตุที่มีคุณสมบัติเหมาะสมกับ พลังงานความร้อนที่เมล็ดกาแฟต้องการ batch size การนำความร้อนที่มากเกินไปอาจส่งผลเสียต่อกาแฟทำให้เกิด defect ระหว่างคั่ว เช่น tipping defect หรือ coal รอยไหม้ที่ไม่พึงประสงค์ส่งผลต่อกลิ่นรสเกิดกลิ่นถ่านไหม้ ก่อนจะคั่วสุกเสียอีก


- หากแต่ การเลือกโลหะที่มีค่าความต้านทานความร้อนสูง นำความร้อนไม่ดีพอ อาจทำให้การส่งถ่ายพลังงานไปยังเมล็ดกาแฟช้าและไม่เพียงพอต่อการพัฒนาความสุกของเมล็ดกาแฟ


- สูตรการเลือกย่อมส่งผลต่อราคาเครื่องคั่วกาแฟ อย่างแน่นอน นักคั่วกาแฟท่านใดที่ใช้มาหลายรุ่นคงสามารถเปรียบเทียบได้ดี

- และสำหรับนักคั่วกาแฟที่สนใจการทดลองสนุก ๆ เพื่อเข้าใจเรื่องการนำความร้อนสามารถหาซื้อุปกรณ์อย่าง่ายแบบนี้มาลองเล่นที่บ้านได้

 

2. การพาความร้อน CONVECTION 

- การพาความร้อนเกิดจากการที่อนุภาคของไหลเคลื่อนที่พาพลังงานจากที่ที่มีความร้อนสูงกว่าไปยังที่ต่ำกว่า และเกิดการถ่ายโอนพลังงานไปพร้อมกัน การพาความร้อนเกิดกับของเหลาวและก๊าซ เช่น น้ำ หรือ อากาศ เมื่อน้ำได้รับความร้อน โมเลกุลของน้ำจะขยายตัวและเคลื่อนตัวเมื่อมีพลังงานมากพอ เราจึงเห็นน้ำเวลาเดือดค่อยขยับตัวแรงขึ้นเรื่อย ๆ



- เชื่อไหมว่าการถ่ายโอนพลังงานความร้อนเกิดขึ้นในร่างกายของคนเราตลอดเวลา จึงมีคำว่าเลือดลมหมุนเวียน ในถังคั่วกาแฟการพาความร้อนเกิดขึ้นมื่ออากาศในถังรับความร้อนที่ส่งผ่านมายังโลหะ อากาศจำขยายตัวและไหลเวียน อากาศร้อนหมุนวนรอบเมล็ดกาแฟที่ล่องลอยในถังคั่ว ส่งถ่ายหลังงานไปยังเมล็ดกาแฟ


- การถ่ายความร้อนในถังคั่วจะมากหรือน้อย ขึ้นอยู่กับ Bean to Air Ratio ซึ่งการออกแบบเครื่องแต่ละตัว นักประดิษฐ์ ต่างมีความเชื่อคนละแบบ เราจึงเห็นค่า Bean to Air Ratio ของแต่โรงงานแตกต่างกัน และถึงแม้ว่าค่าเซทติ้งจากโรงงานแก้ไม่ได้ แต่นักคั่วกาแฟจะกำหนดปริมาณเมล็ดที่เหมาะสมกับขนาดดรัมพ์ในแบบฉบับของตนเอง


- อย่างไรก็ดี ถ้าท่านเลือกเครื่องคั่วกาแฟที่ให้ดรัมพ์ขนาดใหญ่เกินไป นอกจากจะเทอะทะ ยังสิ้นเปลืองพลังงานโดยไม่จำเป็น อย่าลืมว่า ฟอสซิล เหลือน้อยแล้ว


3. การแผ่รังสีความร้อน


- การเดินทางของพลังงานด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นความร้อน หรือ รังสีอินฟาเรด Infraed radiation IR ความสามารถของวัตถุในโลกของเราและนอกโลกสามารถส่งอกอกและดูดซับพลังงานตลอดเวลา โลกของเรารับคลื่นความร้อนจากดวงอาทิตย์ คลื่นความร้อนเดินทางไกลหลายปีแสงโดยไม่แม้แต่ต้องอาศัยตัวกลางใด ๆ

ความน่าสนใจคือ คลื่นรังสี สามารถถ่ายโอนพลังงานได้ไวกว่า การนำ และการพา ที่กล่าวมาเบื้องต้น


- วัตถุที่ได้รับพลังงานความร้อนจะแผ่รังสีอออกมาเมื่ออุณหภูมินั้นสูงกว่าอุณหภูมิที่ศูนย์สมบูรณ์จะเริ่มสูญเสียพลังงาน มันต้องดูดซับพลังงานจากแหล่งอื่น วัตถุนั้นจะแผ่รังสีออกมาตลอดเวลาที่ทุก ๆ ความยาวคลื่น แต่มนุษย์จะรู้สึกหรือรับรังสีได้เฉพาะรังสีที่มีความยาวคลื่นอยู่ระหว่าง 0.1 – 100 µm รังสีที่แผ่ออกมาและมีความยาวคลื่นในช่วงดังกล่าวจะทำให้เกิดความร้อนในวัตถุที่ได้รับรังสี


- สำหรับเมล็ดกาแฟผิวที่หยาบจะมีความสามารถในการดูดกลืนพลังงานจากการแผ่รังสีได้มากกว่าผิวเรียบ ฉะนั้นความสามารถในการดูดซับความร้อนของเมล็ดกาแฟเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาที่คั่ว


- และนั่นแปลว่าไม่ง่ายนักที่จะออกแบบเครื่องคั่วกาแฟให้มีส่วนผสมที่ลงตัวของการถ่ายโอนพลังงาน 3 แหล่ง ในยุคหลัง ๆ นักประดิษฐ์เข้าใจประสิทธิภาพของการใช้พลังงานและให้ความสนใจการออกแบบที่ใช้พลังงานจากคลื่นความร้อนเป็นอย่างมาก จากจะเป็นทางเลือกที่ช่วยให้โรงงานประหยัดต้นทุนพลังงาน คั่วได้ไว และได้รสชาติดี แต่ควบคุมยาก


ในบทความต่อไปฮิลล์คอฟฟ์จะมาเล่าเรื่องราวสนุก ๆ จากการทดลอง การให้พลังงานจากคลื่นความร้อนสู่เมล็ดกาแฟ

เขียนโดย Hillkoff Academy