Tốc độ quay của trống (Drum Rotation Speed) là một yếu tố quan trọng nhưng thường bị bỏ qua trong quá trình rang cà phê. Chuyển động quay của trống quyết định cách các hạt cà phê di chuyển bên trong máy, từ đó ảnh hưởng đến kết quả rang theo hai cách chính. Thứ nhất, trống cần quay để đảo trộn hạt, đảm bảo quá trình rang diễn ra đồng đều. Quan trọng hơn, tốc độ quay trống quyết định mức độ tiếp xúc giữa hạt và khí nóng cũng như với bề mặt trống, qua đó ảnh hưởng trực tiếp đến cơ chế truyền nhiệt trong suốt quá trình rang.
Nếu hạt tiếp xúc quá lâu với thành trống (trong các máy rang sử dụng gia nhiệt trực tiếp), bề mặt hạt có thể bị cháy xém. Hơn nữa, khi tiếp xúc với thành trống, hạt bị giảm tiếp xúc với khí nóng – vốn là nguồn nhiệt chủ yếu để phát triển hương vị. Vì vậy, việc kiểm soát tốc độ quay trống giúp người rang tránh các lỗi do cháy bề mặt, đồng thời điều tiết được tỷ lệ truyền nhiệt đối lưu bằng cách thay đổi mức độ tiếp xúc của hạt với luồng khí nóng.
Đường kính trống và Số Froude
Tốc độ trống khiến hạt cà phê bám vào thành trống phụ thuộc vào đường kính trong của trống. Để hiểu tại sao, hãy nhớ lại cảm giác khi ngồi trên Chair-O-Plane tại hội chợ. Những trò chơi như vậy thường có nhiều hàng ghế được gắn vào một bánh xe quay bằng dây xích. Khi bánh xe quay, hàng ghế ngoài cùng văng ra xa hơn so với các hàng bên trong vì chúng chịu lực ly tâm mạnh hơn. Về mặt vật lý, điều này xảy ra vì với một tốc độ trống nhất định (tính bằng vòng/phút), vận tốc tại mép ngoài của bánh xe lớn hơn so với vận tốc ở gần tâm.
Đây là lý do tại sao các máy rang có trống lớn hơn thường được vận hành ở tốc độ trống chậm hơn. Chẳng hạn, Scott Rao gợi ý thử tốc độ trống 52–56 vòng/phút cho máy rang 12 kg và 46–50 vòng/phút cho máy rang 30 kg (Rao 2018). Lưu ý rằng Scott đưa ra các giá trị này như điểm khởi đầu để thử nghiệm, không phải là khuyến nghị tuyệt đối.
Vì các trống có kích thước khác nhau cần tốc độ trống khác nhau, một cách hữu ích hơn để so sánh tốc độ trống của các máy rang khác nhau là sử dụng số Froude. Số Froude mô tả tỷ lệ giữa lực ly tâm và lực hấp dẫn. Khi số Froude bằng 1, lực ly tâm bằng lực hấp dẫn, và hạt cà phê sẽ bám vào thành trống trong suốt vòng quay của trống. Khi số Froude giảm, hạt cà phê bắt đầu rơi khỏi thành trống sớm hơn, chuyển qua các chế độ dòng chảy đã được mô tả trước đó.
Số Froude được tính bởi công thức:
Fr = ω2r ÷ g
Trong đó ω (omega) là tốc độ trống (tính bằng radian/giây), (r) là bán kính trong của trống (tính bằng mét), và (g) là gia tốc trọng trường (9,8 m/s²).
Việc chuyển đổi tốc độ trống từ vòng/phút (trong thực tế) sang radian/giây khá phức tạp, vì vậy bạn có thể sử dụng công thức đơn giản mà chúng mình đã tạo sẵn.
Fr = [π²N²R] ÷ (1800g) hay Fr = 0.000558×N²×R
Trong đó:”N” là tốc độ quay tính bằng vòng/phút và “R” Đường kính trống tính bằng mét, (chúng mình dùng đường kính trống, để bạn dễ dàng đo đạc hơn).
Ví dụ: Máy rang có Đường kính trống: 80cm, tốc độ quay: 42 vòng/phút, thì số Froude ≈ 0,79.
Hệ quả suy ra từ công thức tính Froude
Tóm tắt các hệ quả về Số Froude trong máy rang cà phê:
- Điểm tới hạn (Fr = 1): Công thức của Schwartzberg (2005
) biểu thị tốc độ quay (RPM) cần thiết để đạt được Số Froude bằng 1. Đây là trạng thái mà lực ly tâm vừa đủ cân bằng với lực hấp dẫn tại điểm cao nhất của trống rang.
- Ảnh hưởng của tốc độ quay: Vì Số Froude tỷ lệ với bình phương của tốc độ quay (RPM²), một sự thay đổi nhỏ trong tốc độ quay sẽ gây ra sự thay đổi đáng kể trong giá trị Số Froude. Cụ thể, việc giảm tốc độ quay từ 10% đến 20% so với tốc độ tới hạn (Fr = 1) sẽ dẫn đến Số Froude nằm trong khoảng 0.64 – 0.81.
- Phạm vi hoạt động hiệu quả: Dựa trên kinh nghiệm của các chuyên gia như Scott Rao và thiết kế của các nhà sản xuất máy rang uy tín như Mill City Roasters, phạm vi Số Froude từ 0.7 đến 0.9 dường như mang lại sự đảo trộn hạt cà phê tối ưu trong quá trình rang.
- Phạm vi cân nhắc chung: Đối với hầu hết các máy rang cà phê, một phạm vi Số Froude từ 0.64 đến 0.9 được xem là hợp lý để cân nhắc khi vận hành. Phạm vi này có thể cung cấp sự cân bằng tốt giữa việc đảo trộn hạt đều và truyền nhiệt hiệu quả.
Tuy nhiên, đây chỉ là điểm khởi đầu. Thiết kế trống và đặc điểm máy rang ảnh hưởng đến chế độ dòng chảy tối ưu. Với máy rang gián tiếp, ít nguy cơ cháy hạt do tiếp xúc lâu với thành trống, nhưng thay đổi dòng chảy có thể ảnh hưởng lớn đến truyền nhiệt. Tốc độ trống tối ưu cần đảm bảo kiểm soát truyền nhiệt, rang đều và tránh cháy bề mặt hạt.
Các mô hình chuyển động của hạt
Chuyển động của hạt cà phê bên trong một trống quay được mô tả bằng các mô hình chuyển động đặc trưng, gọi là “chế độ dòng chảy” (flow regimes). Khi thay đổi tốc độ quay của trống, chế độ chuyển động của hạt cũng thay đổi tương ứng.
Từng chế độ chuyển động ảnh hưởng đến cách hạt đảo, tốc độ truyền nhiệt và mức độ đồng đều trong rang. Việc hiểu và điều chỉnh flow regime phù hợp là một trong những kỹ năng quan trọng giúp người rang kiểm soát hiệu quả quá trình truyền nhiệt – đặc biệt là khi xử lý các mẻ rang ở kích cỡ khác nhau hoặc khi thay đổi cấu hình máy.
Ở tốc độ quay rất chậm, hạt cà phê di chuyển theo chế độ gọi là “trượt” (slipping) hoặc “chùng xuống” (slumping). Trong trạng thái này, khối hạt gần như giữ nguyên thành một khối duy nhất, di chuyển theo trống khi nó quay và sau đó trượt hoặc đổ xuống lại vị trí ban đầu. Sự đảo trộn giữa các hạt là rất ít. Các hạt nằm sát thành trống sẽ tiếp xúc với bề mặt nóng trong thời gian dài, dẫn đến nguy cơ cháy bề mặt.
Khi tăng tốc độ quay của trống, hạt bước vào chế độ “lăn” (rolling). Lúc này, chuyển động quay của trống sẽ kéo các hạt từ đáy khối lên phía bên cạnh, trong khi các hạt ở phía trên cùng sẽ lăn xuống để thay thế vị trí. Quá trình này tạo nên một dòng chảy hình tròn trong khối hạt, giúp đảo trộn đều hơn và giảm nguy cơ cháy bề mặt. Tuy nhiên, sự tiếp xúc với khí nóng vẫn còn hạn chế vì chỉ lớp trên cùng của khối hạt mới thực sự tiếp xúc với luồng khí nóng đi qua trống (Cristo et al., 2006).
Khi tốc độ quay tiếp tục tăng, chuyển động của trống bắt đầu nhấc hạt lên khỏi khối hạt chính và đưa chúng vào dòng khí nóng. Trong các chế độ tiếp theo như “thác đổ” (cascading) và “tung văng” (cataracting), các hạt có mức độ tiếp xúc với khí nóng cao hơn, từ đó tăng hiệu quả truyền nhiệt đối lưu.
Cuối cùng, ở tốc độ quay rất cao, lực ly tâm sẽ ép một số hạt bám sát vào thành trống trong suốt quá trình quay, dẫn đến cháy bề mặt nghiêm trọng. Chế độ này gọi là “ly tâm” (centrifugal) và làm giảm đáng kể sự tiếp xúc của hạt với khí nóng, so với các chế độ như cascading và cataracting.
Tùy theo thiết kế của trống, việc kiểm soát tốc độ quay (rpm) có thể mang đến cho người rang một công cụ bổ sung để điều chỉnh tỷ lệ truyền nhiệt giữa đối lưu và dẫn nhiệt. Để tối ưu hóa truyền nhiệt đối lưu, phần lớn người rang thường chọn tốc độ trống tạo ra chế độ chuyển động cascading (thác đổ) hoặc cataracting (tung văng).
Tuy nhiên, một số nhà nghiên cứu cho rằng các chuyển động này có thể dẫn đến gãy, vỡ hạt – do đó họ khuyến nghị sử dụng tốc độ trống chậm hơn để duy trì chế độ rolling (lăn đều) (Resende et al., 2017; Cristo et al., 2006). Hiện tượng gãy hạt này chủ yếu là vấn đề trong các máy rang công nghiệp lớn hoặc khi rang rất đậm, vì khi đó hạt trở nên giòn và dễ vỡ hơn.
Ngoài tốc độ quay, còn nhiều yếu tố khác ảnh hưởng đến chế độ chuyển động của hạt trong trống. Bao gồm: bề mặt trống có nhẵn hay không, thiết kế của các cánh đảo (mixing vanes hoặc flights), cũng như đặc tính vật lý của hạt cà phê. Tuy nhiên, yếu tố quan trọng nhất quyết định tốc độ trống tối ưu chính là đường kính của trống.
Tốc độ quay trống và kích cỡ mẻ rang
Kích cỡ mẻ rang ảnh hưởng đến cách các hạt cà phê di chuyển bên trong trống, thông qua một số thực nghiệm theo dõi chuyển động của từng hạt cà phê trong máy rang. Kết quả cho thấy rằng: để tạo ra kiểu chuyển động tương tự trong trống, các mẻ lớn cần tốc độ trống cao hơn so với các mẻ nhỏ (Al-Shemmeri et al 2023).
Ngược lại, nếu tốc độ quay trống quá cao đối với một mẻ nhỏ, từng hạt cà phê sẽ có xu hướng rời khỏi khối hạt sớm hơn, dành ít thời gian hơn trong vùng tiếp xúc chính (bean bed), và thay vào đó sẽ bị ép vào thành trống hoặc bay tự do trong trống. Cả hai tình huống này đều làm tăng tốc độ truyền nhiệt, từ đó dễ dẫn đến các lỗi rang như cháy bề mặt (scorching).
Những quan sát từ thí nghiệm trên cũng phù hợp với khuyến nghị của Scott Rao và nhiều chuyên gia khác: nên sử dụng tốc độ trống cao hơn một chút cho các mẻ lớn, và tốc độ thấp hơn cho các mẻ nhỏ trên cùng một máy rang (Rao, 2014).
Tốc độ quay trống và mật độ hạt
Khi quá trình rang diễn ra, hạt cà phê nở ra, trở nên ít đặc hơn và chiếm nhiều không gian hơn. Điều này thay đổi nhẹ cách các hạt di chuyển bên trong trống.
Trong The Coffee Roaster’s Companion, Scott Rao gợi ý rằng người rang nên tăng nhẹ tốc độ quay của trống trong quá trình rang, để bù lại cho việc thể tích hạt tăng lên. Điều chỉnh này tương tự như khuyến nghị áp dụng cho các mẻ rang có kích cỡ lớn hơn ((Rao 2014)).
Mặt khác, các thí nghiệm theo dõi chuyển động của từng hạt trong máy rang cũng cho thấy rằng: khi mật độ hạt giảm, hạt có xu hướng thoát khỏi khối hạt (bean bed) dễ dàng hơn, và chế độ chuyển động của chúng có thể chuyển từ cascading sang cataracting (Al-Shemmeri et al 2023).
Ghi chú:
[*] Ghi chú: Giáo sư Henry M. Schwartzberg là một nhà khoa học và kỹ sư hóa học nổi tiếng, có nhiều đóng góp quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật thực phẩm và các quá trình xử lý chất lỏng. Công trình nghiên cứu của ông bao gồm việc phân tích động lực học chất lỏng trong các thiết bị xử lý thực phẩm, và công thức liên quan đến Số Froude (Fr = 1) trong các hệ thống quay như trống rang là một ví dụ về ứng dụng của các nguyên tắc vật lý vào công nghệ thực phẩm.
[**] RPM – viết tắt của Revolutions Per Minute