roast咖啡烘焙雜誌 | 烘焙中的熱能傳遞

roast咖啡烘焙雜誌(美國）

烘焙中的熱能傳遞

the a roaster』s guide to heat transfer

by Terry Davis

本文摘譯於roast雜誌The Book of Roast

正文

在我們當前的時代，科學術語經常被用來（或錯誤的被用來）證明或反對完全相反的觀點，這使大多數人感到困惑。為了更好的控制和理解烘焙咖啡過程，我么應當認真討論烘焙中熱量和熱能傳遞問題。

熱能傳遞有三種基本方式：傳導conduction，對流convection，輻射 radiation， 這些簡單（但令人迷惑）的科學概念是咖啡烘焙行業中最為激烈的爭論之一。

爭論的核心集中在如何控制烘焙過程中的熱能傳遞，或者更簡單地說如何控制烘焙過程本身。進一步講，爭論更具體的是在烘焙機滾筒（drum）和氣流（airflow）的基礎上展開-即那個烘焙機製造商的產品可以在以上三種熱能傳遞方式中提供最好的平衡。

其實，許多這樣瑣碎的爭論並沒有起到什麼積極作用，分散我們對實際工作-烘焙咖啡本身的注意力。

這些觀點截然不同的爭論讓大多數人感到困惑，大家不知道應該學習那種觀點的知識，更重要的是，大多數人不知道如何使用這些知識達到他們自己在咖啡烘焙中的獨特性。

我們先將這些爭論放在一邊。本文假設在烘焙中我們真正關心的問題是：我們如何能夠更好的控制烘焙過程本身，對烘焙過程有效控制有助於取得穩定的，高品質的烘焙產品。

為了有效的控制烘焙過程，我們必須對烘焙機滾筒中的三種熱能傳遞方式（傳導conduction，對流convection，輻射 radiation）有基本的了解。作為烘焙師我們需要了解科學概念，但更重要的是我們如何在實際工作中應用科學概念。

傳導conduction

傳導指溫度較高物質的分子向溫度較低物質分子（兩種物質直接接觸）傳遞熱量。舉個例子，如果你在聞熱咖啡時不小心燙到你的鼻子,這就是熱傳導,熱咖啡分子將熱能傳遞給較冷的皮膚分子。在烘焙機滾筒中有三個潛在的熱傳導/conduction來源:烘焙機滾筒，烘焙滾筒面板和咖啡豆本身。有些人認為冷卻盤也是一個潛在的導體,如果這個觀點成立，它的前提是烘焙機冷卻盤溫度要比咖啡本身高。雖然冷卻盤可以延長冷卻時間，但它的溫度永遠不可能高到可以把熱量傳遞給咖啡豆。烘焙機滾筒的比熱容the rate and ratio 最先受到預熱溫度和烘焙量的影響。

對流convection

對流指的是流體內部由於各部分溫度不同而造成的相對流動，即流體(氣體或液體）通過自身各部分的宏觀流動實現熱量傳遞的過程。液體或氣體中，較熱的部分上升， 較冷的部分下降，循環流動，互相摻和，最終使溫度趨於均勻。在咖啡烘焙過程中熱能傳遞介質是空氣/氣流。

對流主要有兩種類型:自然對流和強迫對流。

自然對流往往自然發生， 是由於濃度差或者溫度差引起密度變化而產生的對流。流體內的溫度梯度會引起密度梯度變化，若低密度流體在下，高密度流體在上， 則將在重力作用下形成自然對流。在咖啡烘焙過程中，滾筒中空氣被加熱後其密度產生變化，熱空氣變輕上升，密度高的冷空氣下降，形成自然對流。

強迫對流是由於外力的推動而產生的對流。加大液體或氣體的流動速度，能加快對流傳熱.在咖啡烘焙過程中強迫對流的外力是通過烘焙機風扇產生的，相對於自然對流，強制對流更快、更有效。

在大多數現代烘焙機,大約80%的熱傳遞是通過強迫對流產生。 在熱風式烘焙機中這個比例更高。熱風烘焙機通過向烘焙爐膛吹風產生正壓，滾筒式烘焙機通過排風風扇抽取烘焙爐膛中空氣形成負壓。在滾筒式烘焙機中，氣流及火力越大，烘焙過程越快。

輻射radiation

輻射指的是由場源出的電磁能量中一部分脫離場源向遠處傳播，而後再返回場源的現象，能量以電磁波或粒子（如阿爾法粒子、貝塔粒子等）的形式向外擴散。自然界中的一切物體，只要溫度在絕對溫度零度以上，都以電磁波和粒子的形式時刻不停地向外傳送熱量，這種傳送能量的方式被稱為輻射。輻射之能量從輻射源向外所有方向直線放射。物體通過輻射所放出的能量，稱為輻射能。

輻射熱是一種被定義為電磁波的熱輻射，它自然發生在兩個不同溫度的物體之間，它不需要任何介質。不同於傳導和對流，輻射以光速傳播。某個物體接受或釋放輻射熱量的能力受到它本身的顏色、溫度、密度、表面積等因素的影響。簡而言之，輻射是最複雜的熱傳遞方式，在咖啡烘焙過程中很難測量或控制。對於烘焙師來說，只要記住輻射熱的存在就可以了，把精力集中在可以測量和控制的熱能傳遞方式上。

也存在著對輻射熱或紅外線燃燒器的一些混淆，使用紅外線燃燒器的滾筒式烘焙機其主要的熱能傳遞方式仍然是傳導，對流 。烘焙機中輻射的速率及比例是一個未知數。

烘焙過程中的總能量

作為烘焙師你可以控制的熱能來源有：

烘焙機滾筒drum, 熱風airflow, 咖啡豆本身bean.我們把他們做不同的排序：大家可以考慮一下在烘焙過程中的特定階段那些是烘焙熱能的主要來源，以及對烘焙的影響。

烘焙機滾筒，熱風，咖啡豆

熱風、烘焙機滾筒，咖啡豆

咖啡豆，烘焙機滾筒，熱風

在烘焙的開始階段—烘焙所需熱能大部分來自於烘焙機滾筒（受預熱溫度影響，同時也是造成烘焙瑕疵的潛在因素），在烘焙過程中熱能傳遞的主要方式是空氣/熱風或對流傳熱（空氣/熱風對咖啡醇厚度及風味的形成也有影響），在烘焙的結束階段咖啡豆本身成為熱能的主要來源。

上述所有熱能來源都在烘焙過程中發揮作用。作為烘焙師，你的工作是更好地了解每一個熱量來源，然後在你自己烘焙實踐中驗證理論知識，更好地控制你的烘焙過程，這就是總能量的概念。

未完待續

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