Các máy rang trống gia nhiệt trực tiếp hiện đại đều chia sẻ những đặc điểm cơ bản giống nhau. Sơ đồ dưới đây minh họa các thành phần chính của một máy rang trống gia nhiệt trực tiếp điển hình.
Một đầu đốt gas (hoặc nguồn nhiệt khác) được đặt bên dưới trống rang, làm nóng trực tiếp thành trống. Đồng thời, một quạt hút gió từ ống xả sẽ kéo không khí vào bên trong máy rang. Khi không khí đi vào, đầu đốt nhanh chóng làm nóng không khí, rồi luồng khí nóng này tiếp tục đi qua trống rang và thoát ra ngoài qua ống xả.
Hạt cà phê được nạp vào trống thông qua một phễu nạp nằm phía trên máy rang. Các cánh đảo bên trong trống liên tục khuấy trộn hạt khi trống quay, giúp hạt được làm nóng đều. Hạt cà phê được truyền nhiệt chủ yếu thông qua dẫn nhiệt từ thành trống và đối lưu từ luồng không khí nóng đi qua. Trong quá trình rang, quạt hút sẽ kéo khí rang và vỏ lụa ra khỏi trống, và một bộ cyclon sẽ tách vỏ lụa ra khỏi khí thải.
Khi kết thúc mẻ rang, hạt cà phê sẽ rơi qua một cửa ở phía trước trống và đổ xuống khay làm nguội. Một chiếc quạt công suất lớn sẽ hút không khí lạnh đi qua hạt, trong khi các cánh đảo tiếp tục khuấy đều để đảm bảo quá trình làm nguội nhanh và đồng đều.
Hạt cà phê được đưa vào qua phễu trên máy và được van đảo trộn liên tục để đảm bảo nhiệt được phân phối đều. Khi quá trình rang kết thúc, hạt được xả qua cửa trước trống và rơi xuống khay làm nguội. Tại đây, một quạt công suất lớn hút không khí lạnh qua hạt, trong khi các van đảo trộn đảm bảo hạt nguội nhanh và đồng đều.
Một trong những ưu điểm lớn của máy rang trống gia nhiệt trực tiếp là tính linh hoạt trong điều chỉnh hồ sơ rang. Nhờ khả năng kiểm soát nhiệt độ, tốc độ quay của trống, và lưu lượng khí, người vận hành có thể tùy chỉnh từng giai đoạn của quá trình rang để phù hợp với từng loại hạt cà phê. Thiết kế đơn giản và dễ kiểm soát là hai đặc điểm chính khiến máy rang trống gia nhiệt trực tiếp trở thành lựa chọn lý tưởng cho cả các nhà rang thương mại lớn lẫn các lò rang thủ công nhỏ, nhờ khả năng thích ứng cao với nhu cầu đa dạng trong sản xuất cà phê chất lượng cao.
Thiết kế trống rang
Cấu trúc trống rang thường được phân loại thành trống một lớp và hai lớp. Trống một lớp làm từ một lớp kim loại duy nhất, cho phép truyền nhiệt nhanh hơn nhưng dễ tạo ra các điểm nóng, dẫn đến nguy cơ cháy bề mặt hạt cà phê. Trong khi đó, trống hai lớp có khoảng không khí cách nhiệt giữa hai lớp kim loại, giúp phân phối nhiệt đồng đều hơn và giảm nguy cơ cháy bề mặt. Mặc dù thời gian truyền nhiệt có thể chậm hơn, thiết kế hai lớp mang lại sự ổn định cao, đặc biệt quan trọng trong các lô rang lớn hoặc yêu cầu kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ.
Trống hai lớp có khả năng phân phối nhiệt đồng đều hơn, cho phép sử dụng nhiệt độ cao mà không làm cháy bề mặt hạt. Điều này giúp tăng hiệu quả rang mà không làm mất chất lượng.
Đầu đốt
Trong máy rang trống gia nhiệt trực tiếp, nguồn nhiệt được đặt bên dưới trống. Để kiểm soát lượng nhiệt truyền đến trống trong suốt quá trình rang, người vận hành cần có khả năng điều chỉnh công suất nhiệt một cách nhanh chóng và chính xác. Chính vì vậy, các máy rang trống gia nhiệt trực tiếp gần như luôn sử dụng đầu đốt gas làm nguồn nhiệt chính.
Ngoại lệ đáng chú ý là những máy rang cỡ rất nhỏ, chẳng hạn như các máy được thiết kế để rang mẫu. Với các thiết bị điện, yếu tố làm nóng (điện trở) thường mất thời gian để nóng lên hoặc nguội đi, và kích thước càng lớn thì thời gian thay đổi nhiệt độ càng dài. Tuy nhiên, trong máy rang mẫu, các điện trở nhỏ có thể làm nóng và làm nguội đủ nhanh để phù hợp với việc rang mẻ nhỏ.
Đối với các máy sử dụng gas, có nhiều loại đầu đốt khác nhau, nhưng về cơ bản được chia thành hai nhóm chính: đầu đốt khí quyển (atmospheric burners) và đầu đốt có hỗ trợ khí (forced-air burners).
- Đầu đốt tự hút khí (atmospheric burner): Không cần điện, sử dụng nguyên lý Venturi để tự hút không khí vào buồng đốt. Tuy nhiên, hiệu suất có thể bị ảnh hưởng bởi áp suất gas hoặc điều kiện môi trường.
- Đầu đốt cưỡng bức khí (forced-air burner): Sử dụng quạt để bơm khí vào buồng đốt, đảm bảo tỉ lệ khí-gas tối ưu. Loại này mạnh mẽ, hiệu quả và phổ biến trên các máy rang lớn.
Đầu đốt nạp khí tự nhiên và nạp khí cưỡng bức
Đầu đốt với bộ nạp khí tự nhiên là loại đầu đốt đơn giản, dễ bảo trì và không yêu cầu sử dụng điện trong quá trình hoạt động. Cơ chế hoạt động của nó dựa trên nguyên lý tự hút không khí, sử dụng dòng khí gas chảy qua một bộ phận gọi là Venturi để tạo ra vùng áp suất thấp, từ đó hút không khí vào trộn lẫn với khí gas. Tuy nhiên, nhược điểm của đầu đốt nạp khí tự nhiên là sự phụ thuộc lớn vào áp suất khí gas và điều kiện môi trường xung quanh. Những biến đổi về áp suất hoặc nhiệt độ không khí có thể làm mất cân bằng tỷ lệ khí gas và không khí, dẫn đến quá trình đốt cháy kém hiệu quả. Điều này không chỉ gây lãng phí khí gas mà còn làm tăng lượng khí CO và muội than trong khí thải.
Để khắc phục những hạn chế này, một số máy rang hiện đại sử dụng đầu đốt nạp khí cưỡng bức, còn được gọi là đầu đốt công suất cao hoặc đầu đốt trộn trước. Loại đầu đốt này được trang bị một quạt thổi giúp bơm không khí trực tiếp vào buồng đốt, đảm bảo tỷ lệ khí gas và không khí luôn đạt mức tối ưu, ngay cả khi áp suất khí gas thay đổi. Các mẫu đầu đốt nạp khí cưỡng bức tiên tiến còn có khả năng tự động điều chỉnh lượng không khí dựa trên áp suất khí gas, mang lại hiệu suất đốt cháy cao hơn, giảm khí thải độc hại và tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, chúng phức tạp hơn, đắt đỏ hơn và chủ yếu được sử dụng trong các máy rang lớn với nhu cầu nhiệt cao.
Cả hai kiểu nạp khí trên có thể được thiết kế với nhiều dạng đầu đốt khác nhau. Phổ biến nhất là các đầu đốt ngọn lửa hở, như dạng ngọn nến hoặc ruy băng. Ngoài ra, một số đầu đốt sử dụng lưới kim loại hoặc vật liệu gốm làm bề mặt đốt cháy, tương tự như đầu đốt trong máy sưởi ngoài trời. Loại đầu đốt này tạo ra nhiệt hồng ngoại, trong khi ngọn lửa hở chủ yếu làm nóng không khí xung quanh thông qua đối lưu. Sự đa dạng trong thiết kế đầu đốt giúp các máy rang có khả năng đáp ứng linh hoạt các yêu cầu khác nhau về nhiệt lượng và hiệu suất trong quá trình rang cà phê.
Tóm lại, máy rang trống gia nhiệt trực tiếp là tiêu chuẩn trong ngành rang cà phê hiện đại, nhờ khả năng kiểm soát chính xác quá trình truyền nhiệt, tốc độ rang, và chất lượng rang. Những cải tiến trong thiết kế trống và đầu đốt tiếp tục nâng cao hiệu suất, giảm thiểu rủi ro cháy hạt, và đảm bảo hương vị tối ưu.
Ưu và nhược điểm của máy rang trống gia nhiệt trực tiếp
Mặc dù đã có sự ra đời của nhiều loại máy rang hiện đại và hiệu quả hơn, máy rang trống gia nhiệt trực tiếp vẫn là loại máy phổ biến nhất hiện nay. Thiết kế đơn giản và đã được chuẩn hóa, cùng với độ bền cao, giúp loại máy này trở thành lựa chọn đáng tin cậy. Nhiều máy rang được sản xuất từ đầu thế kỷ 20 vẫn đang hoạt động tốt cho đến ngày nay.
Cấu trúc đơn giản cùng với sự sẵn có của các linh kiện thay thế khiến máy rang trống thường có giá thành thấp hơn và dễ bảo trì hơn so với các thiết kế khác, khi xét trên cùng một kích thước. Tuy nhiên, đây là những cỗ máy lớn, nặng, với nhiều bộ phận chuyển động. Với các máy rang nhỏ, chẳng hạn như máy dùng để thử mẫu hoặc sử dụng tại gia, các công nghệ khác như rang tầng sôi (fluidised-bed roasting) có thể tiết kiệm chi phí hơn. Chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về hệ thống rang tầng sôi từ quy mô mẫu thử đến quy mô công nghiệp trong các phần sau của chương này.
Vì máy rang trống gia nhiệt trực tiếp đã được sử dụng trong một thời gian dài, các nhà rang đã phát triển nhiều kiến thức thực nghiệm để tối ưu hóa hương vị cà phê trên loại máy này. Tuy nhiên, những kiến thức đó khó hoặc thậm chí không thể áp dụng cho các loại máy rang khác. Ví dụ, với máy rang trống, nhà rang có thể kiểm tra mẫu hạt cà phê qua dụng cụ trier hoặc lắng nghe tiếng nổ đầu tiên (first crack) để đánh giá tiến trình rang. Các phương pháp này không khả thi trên hệ thống rang tầng sôi, vốn yêu cầu một buồng rang kín để vận hành. Phần lớn các nghiên cứu về công nghệ rang mới hiện tập trung vào quy mô công nghiệp, với mục tiêu chính là tối đa hóa hiệu suất và năng suất, thay vì tinh chỉnh hồ sơ hương vị.
Một trong những khác biệt quan trọng nhất giữa máy rang trống gia nhiệt trực tiếp và các loại máy rang khác là cách thức truyền nhiệt. Trong một máy rang trống gia nhiệt trực tiếp điển hình, khoảng 25% nhiệt được truyền qua dẫn nhiệt (conduction) và 75% qua đối lưu (convection) (Clarke 1987). Dẫn nhiệt làm tăng nguy cơ cháy bề mặt hạt cà phê, đặc biệt nếu nhiệt độ hoặc tốc độ quay của trống được cài đặt quá cao. Tuy nhiên, một số nhà rang cho rằng dẫn nhiệt giúp tạo ra cà phê có thân vị đậm đà hơn (Holschuh 2018).
Nhìn chung, rất khó để so sánh trực tiếp hương vị giữa các loại máy rang khác nhau. Các nỗ lực so sánh thường gặp vấn đề trong việc kiểm soát các thông số rang. Một số nghiên cứu đã cố gắng tái tạo hồ sơ rang giữa hai loại máy khác nhau (Diallo 2019), nhưng hồ sơ rang tối ưu cho máy rang trống và máy rang tầng sôi thường khác biệt đáng kể, khiến các so sánh trở nên thiếu ý nghĩa. Các nhà nghiên cứu cũng chưa đạt được sự đồng thuận về việc liệu có thể tạo ra kết quả tương đương trên các loại máy rang khác nhau khi sử dụng cùng một hồ sơ rang (Baggenstoss 2008).Tuy nhiên, một điểm khác biệt rõ ràng là các quy trình rang nhanh, năng suất cao có thể thực hiện trên máy rang không khí nóng (hot-air roasting) nhưng không khả thi trên các thiết kế trống gia nhiệt trực tiếp. Chúng ta sẽ thảo luận chi tiết hơn về ưu và nhược điểm của rang nhanh trong chương ba.