Dù được phân biệt rõ ràng trên lý thuyết, ba cơ chế truyền nhiệt – dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ – trên thực tế luôn xảy ra đồng thời và đan xen trong suốt quá trình rang cà phê. Tuy nhiên, tỷ lệ đóng góp của từng cơ chế có thể thay đổi đáng kể tùy theo thiết kế máy rang, chất liệu cấu thành, kiểu nguồn nhiệt, và cách thức vận hành của người rang.
Việc nhận diện đúng vai trò và giới hạn của từng phương thức truyền nhiệt trong bối cảnh cụ thể của máy rang không chỉ giúp lý giải các hiện tượng thường gặp trong quá trình rang mà còn là nền tảng để người thợ rang đưa ra các điều chỉnh kỹ thuật một cách chính xác, nhất quán và phù hợp với mục tiêu hương vị.
Dẫn nhiệt và Đối lưu trong quá trình rang cà phê
Chúng ta đã tìm hiểu một số ảnh hưởng của các dạng truyền nhiệt khác nhau đến cách cà phê được rang. Những máy rang trống đời đầu chủ yếu dựa vào dẫn nhiệt để truyền nhiệt đến hạt cà phê, khiến quá trình rang diễn ra rất chậm. Các máy rang trống hiện đại ngày nay chủ yếu truyền nhiệt thông qua đối lưu, giúp giảm đáng kể thời gian rang và làm thay đổi rõ rệt chất lượng cà phê rang thành phẩm. Các dòng máy rang sử dụng luồng khí nóng còn đẩy nguyên lý này xa hơn, cho phép thời gian rang chỉ kéo dài vài phút trong một số hệ thống rang quy mô công nghiệp.
Nhiều người rang tin rằng dẫn nhiệt và đối lưu có thể tạo ra hương vị khác nhau trong hạt cà phê. Cụ thể, nhiều người ủng hộ các máy rang trống truyền thống cho rằng phương pháp của họ tạo ra cà phê có thân vị (body) đậm hơn, và một số người còn cho rằng nó tạo nên hương vị phức hợp hơn.
Tuy nhiên, ngoài những báo cáo mang tính giai thoại này, hiện có rất ít bằng chứng rõ ràng cho thấy phương pháp truyền nhiệt ảnh hưởng đến hương vị cà phê. Một số ít các nghiên cứu đã được công bố so sánh giữa các máy rang dẫn nhiệt và đối lưu, nhưng không kiểm soát chính xác hồ sơ rang tổng thể. Sự khác biệt chắc chắn duy nhất là nhiệt đối lưu cho phép quá trình rang diễn ra nhanh hơn, từ đó có thể đạt được những hồ sơ rang mà máy rang trống không thể thực hiện.
- Hạn chế lớn nhất của dẫn nhiệt là nó chỉ hoạt động khi có tiếp xúc trực tiếp. Khi một hạt cà phê chạm vào thành trống, chỉ một phần rất nhỏ của hạt thực sự tiếp xúc với bề mặt kim loại. Nhiệt sẽ lan tỏa vào phần còn lại của hạt thông qua dẫn nhiệt – mà quá trình này diễn ra chậm hơn trong hạt cà phê so với kim loại, bởi vì kim loại dẫn nhiệt tốt hơn. Điều này có nghĩa là phần hạt tiếp xúc với thành trống sẽ nóng lên rất nhanh, nhưng lượng nhiệt đó cần thời gian để lan tỏa vào bên trong hạt.
- Ngược lại, khi đối lưu, không khí nóng tiếp xúc đồng thời với toàn bộ bề mặt hạt cà phê, nên tất cả các mặt của hạt đều nhận được lượng nhiệt tương đương. Trong khi đó, diện tích tiếp xúc nhiệt qua dẫn nhiệt chỉ là một phần rất nhỏ so với toàn bộ khối lượng hạt. Vì vậy, để truyền cùng một lượng nhiệt vào trong hạt bằng dẫn nhiệt, cần một nhiệt độ bề mặt hạt cao hơn rất nhiều. Nếu nhiệt độ bề mặt trống quá cao, phần vỏ hạt tiếp xúc với trống có thể bị cháy xém.
Một trong những lý do khiến đối lưu hiệu quả hơn dẫn nhiệt là diện tích tiếp xúc nhiệt lớn hơn nhiều. Lý do khác là chuyển động của không khí mang theo năng lượng nhiệt (advection) diễn ra nhanh hơn rất nhiều so với quá trình dẫn nhiệt qua thành trống.
Như chúng ta đã đề cập, đối lưu là sự kết hợp giữa năng lượng nhiệt trong không khí và dẫn nhiệt từ không khí sang hạt cà phê. Dù nhiệt đến từ dẫn nhiệt hay đối lưu, bản chất của năng lượng nhiệt là giống nhau – điểm khác biệt duy nhất nằm ở sự phân bố nhiệt độ tại các vị trí khác nhau trên bề mặt hạt.
Tốc độ dẫn nhiệt
Tốc độ truyền nhiệt qua dẫn nhiệt phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt độ, diện tích tiếp xúc và độ dẫn nhiệt của hai vật liệu tiếp xúc (Sokolova 2019). Vật liệu cấu tạo nên trống rang ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ dẫn nhiệt trong máy rang. Gang có độ dẫn nhiệt khoảng 52 W/mK (năm mươi hai watt trên mét-kelvin) ở 20°C, trong khi thép không gỉ chỉ có độ dẫn nhiệt 14 W/mK ở cùng nhiệt độ (Engineering Toolbox 2022), do đó kém hiệu quả hơn trong việc truyền nhiệt.
Trong khi đó, không khí là chất cách nhiệt, với độ dẫn nhiệt chỉ khoảng 0.025 W/mK (Material Properties 2022). Đây là lý do tại sao bạn không bị bỏng ngay khi đưa tay vào lò nướng nóng, nhưng lại bị bỏng nếu chạm vào bề mặt kim loại bên trong, mặc dù nhiệt độ của không khí và kim loại là như nhau. Đối lưu truyền nhiệt nhanh hơn nhiều so với dẫn nhiệt khi cần vận chuyển nhiệt đi xa (ví dụ từ đầu đốt đến giữa khối hạt cà phê), nhưng ít có khả năng gây cháy xém bề mặt hạt.
Độ dày của trống rang cũng ảnh hưởng đến lượng nhiệt được truyền qua dẫn nhiệt. Một trống dày hơn sẽ giữ được nhiều năng lượng nhiệt hơn, do đó có khả năng truyền nhiều nhiệt hơn đến hạt cà phê.
Trong khi đó, tốc độ truyền nhiệt qua đối lưu phụ thuộc chủ yếu vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa không khí và hạt cà phê, cũng như tốc độ lưu thông của luồng khí tiếp xúc với hạt (Nogueira and Koziorowski 2020). Ngoài ra, tốc độ quay của trống cũng có thể ảnh hưởng đến tỷ lệ giữa truyền nhiệt đối lưu và dẫn nhiệt trong máy rang. Chúng ta sẽ tìm hiểu sâu hơn về tác động của luồng khí và tốc độ quay trống ở phần sau của chương này.
Bức xạ nhiệt trong quá trình rang cà phê
Trong hầu hết các máy rang, lượng nhiệt được truyền qua bức xạ là rất nhỏ (Schenker và Rothgeb 2017). Nhiều máy rang được mô tả là “hồng ngoại” thực chất chỉ sử dụng bộ đốt hồng ngoại, nhưng không truyền trực tiếp tia hồng ngoại đến hạt cà phê. Thay vào đó, bức xạ làm nóng không khí xung quanh, thành trống, và trong một số trường hợp là các bộ trao đổi nhiệt bao quanh trống rang. Từ đó, nhiệt mới được truyền đến hạt cà phê thông qua dẫn nhiệt và đối lưu. Tia hồng ngoại không thể xuyên qua trống nếu trống không được đục lỗ.
Rubasse
Một số nhà sản xuất, như Rubasse và Stronghold, đã chế tạo các máy rang cỡ nhỏ sử dụng bức xạ hồng ngoại như nguồn nhiệt chính, với các bộ phận gia nhiệt được đặt bên trong trống rang, cho phép tia hồng ngoại tiếp xúc trực tiếp với hạt cà phê. Nhìn chung, bức xạ là một phương pháp hiệu quả để làm nóng vật liệu một cách đồng đều (Aboud et al. 2019), nhưng chưa có nhà sản xuất nào phát triển thành công một máy rang quy mô công nghiệp, có tính thương mại cao, chỉ dựa vào nguồn nhiệt hồng ngoại.
