Độ ẩm trong hạt cà phê có ảnh hưởng lớn đến tốc độ truyền nhiệt vào hạt. Cà phê với độ ẩm cao cần nhiều nhiệt hơn trong quá trình rang, vì nước tiêu tốn nhiều năng lượng để được làm nóng. Độ ẩm cao cũng giúp hạt chịu được nhiệt độ cao hơn trong lò rang, nhờ nước hỗ trợ truyền nhiệt từ bề mặt vào lõi hạt.
Cà phê xanh với độ ẩm cao có khả năng dẫn nhiệt tốt hơn, hỗ trợ chuyển nhiệt từ bề mặt hạt vào trung tâm trong giai đoạn đầu trước khi hơi nước bốc hơi. Ngoài ra, độ ẩm cao còn làm tăng nhiệt dung riêng của hạt, tức là cần nhiều năng lượng hơn để tăng nhiệt độ của hạt.
Tuy nhiên, tác động quan trọng nhất của độ ẩm là lượng năng lượng cần thiết để hóa hơi nước. Khi nước bốc hơi, nó hấp thụ năng lượng và mang theo năng lượng này ra ngoài khi thoát khỏi hạt dưới dạng hơi nước, khiến nhiệt độ của hạt tăng chậm hơn trong giai đoạn đầu của quá trình rang.
Hiện tượng bay hơi này làm mát lõi hạt cho đến khi nhiệt độ hạt đạt khoảng 150°C, lúc này phần lớn nước tự do đã bay hơi. Sau đó, tốc độ tăng nhiệt bên trong hạt bắt đầu tăng nhanh hơn.
Mặt cắt bay hơi
Minh họa mặt cắt của hạt cà phê trong quá trình rang cho thấy vai trò của độ ẩm trong quá trình truyền nhiệt:
Trong giai đoạn đầu của quá trình rang, nhiệt độ tăng nhanh hơn ở gần bề mặt hạt (1), trong khi nhiệt truyền chậm hơn vào các lớp sâu bên trong (2 và 3). Độ ẩm gần bề mặt hạt bay hơi trước, tạo thành một lớp hơi nước gọi là “mặt cắt bay hơi”. Lớp này bắt đầu từ bề mặt hạt và dần dịch chuyển vào bên trong khi nhiệt độ tăng lên.
Độ ẩm trong lớp này hấp thụ năng lượng nhiệt từ bề mặt hạt khi bay hơi, khiến nhiệt không thể đi sâu hơn vào trong hạt. Khi lớp bề mặt mất đi độ ẩm, khả năng dẫn nhiệt của nó giảm, làm chậm quá trình truyền nhiệt vào lõi hạt. Sự khác biệt giữa tốc độ giãn nở của lớp ngoài và lớp trong gây căng thẳng lên cấu trúc hạt và thậm chí có thể làm nứt hạt, giống như cách kính bị nứt khi gặp nước nóng đột ngột.
Kết quả là lớp bề mặt của hạt ngăn nhiệt truyền đến lõi, làm tăng lượng nhiệt cần thiết để rang những hạt có độ ẩm cao.
Độ ẩm trong không khí của lò rang
Độ ẩm của không khí bên trong lò rang cũng ảnh hưởng đến tốc độ truyền nhiệt. Không khí ẩm có nhiệt dung riêng cao hơn không khí khô, nghĩa là ở cùng nhiệt độ, không khí ẩm mang nhiều năng lượng hơn.
Không khí ẩm truyền năng lượng nhiệt đến hạt hiệu quả hơn, giúp quá trình rang diễn ra nhanh hơn khi độ ẩm không khí trong lò cao. Một số lò rang công nghiệp cho phép kiểm soát độ ẩm của khí trong quá trình rang. Lò rang tuần hoàn thường có môi trường bên trong ẩm hơn so với các loại lò khác.
