Thiết lập máy rang: Đầu dò nhiệt

Đầu dò nhiệt là công cụ cốt lõi giúp kiểm soát quá trình rang một cách chính xác và nhất quán. Việc lựa chọn đúng loại đầu dò, xác định đường kính phù hợp, và đặc biệt là lắp đặt ở vị trí tối ưu trong máy rang có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng dữ liệu nhiệt thu thập được.

Bài viết này trình bày toàn diện về các loại đầu dò phổ biến trong ngành rang cà phê – từ thermocouple đến cảm biến hồng ngoại, RTD hay đầu dò kép – đồng thời hướng dẫn cách bố trí đầu dò một cách khoa học trong cả máy rang trống lẫn máy rang khí nóng. Thông qua đó, người rang có thể thiết lập hệ thống đo lường nhiệt độ tin cậy, làm nền tảng cho việc kiểm soát và tối ưu hoá hồ sơ rang.

Loại đầu dò nhiệt

Loại đầu dò nhiệt độ phổ biến nhất được lắp đặt trong máy rang là cặp nhiệt điện (thermocouple) – cũng chính là công nghệ được sử dụng trong các loại nhiệt kế đo nhanh. Có nhiều loại cặp nhiệt điện khác nhau được chế tạo từ các vật liệu khác nhau; trong đó, hai loại phù hợp nhất cho việc rang cà phê là loại K và loại J.

Cặp nhiệt điện có thể thuộc loại tiếp đất (grounded) hoặc không tiếp đất (ungrounded): Đầu dò tiếp đất phản ứng nhanh hơn với sự thay đổi nhiệt độ, nhưng trong một số điều kiện nhất định, chúng có thể cho kết quả thiếu chính xác. Vì vậy, chúng mình khuyến nghị sử dụng cặp nhiệt điện không tiếp đất.

Một cặp nhiệt điện đo nhiệt độ tại đầu cảm biến của chính đầu dò – chứ không đo trực tiếp nhiệt độ môi trường xung quanh. Ví dụ, đầu dò nhiệt độ hạt (BT) với đầu cảm biến nằm trong đống hạt cà phê sẽ cho giá trị không hoàn toàn phản ánh chính xác nhiệt độ của từng hạt, mà là kết quả tổng hợp của nhiệt độ không khí giữa các hạt và nhiệt độ bề mặt của hạt.

⤍  Xem thêm tài liệu về: Đầu dò nhiệt trong máy rang

Đầu dò cũng cần thời gian để nóng lên hoặc nguội đi, vì vậy phản ứng với thay đổi nhiệt độ có độ trễ nhất định. Đầu dò càng mỏng thì càng phản ứng nhanh hơn, nhưng nếu quá mỏng, chúng sẽ dễ gãy và kém bền. Giải pháp cân bằng tốt nhất là sử dụng đầu dò có đường kính khoảng 3 mm.

Khuyến nghị sử dụng đầu dò nhiệt trong máy rang cà phê:

• Cặp nhiệt điện loại J hoặc K
• Không tiếp đất (ungrounded)
• Đường kính khoảng 3 mm

Một số máy rang sử dụng các loại cảm biến nhiệt khác thay cho cặp nhiệt điện để đo một số thông số nhất định. Ví dụ, cảm biến hồng ngoại (IR) đo nhiệt độ bề mặt từ khoảng cách xa, nên có thể dùng để đo nhiệt độ bề mặt trống rang hoặc bề mặt hạt cà phê, giúp hiển thị tức thì nhiệt độ bề mặt hạt. Tuy nhiên, trong hầu hết trường hợp, cảm biến IR kém chính xác hơn cặp nhiệt điện, nên rất hiếm khi được lắp trên máy rang – ngoại lệ nổi bật là Aillio Bullet V2.

• Đầu dò RTD (Resistance Temperature Detector) có thể cho độ chính xác cao hơn cặp nhiệt điện, nhưng thường phản ứng chậm hơn với thay đổi nhiệt độ, đắt tiền hơn và dễ hỏng hơn. Do đó, chúng mình không khuyến khích sử dụng RTD trong hầu hết các máy rang cà phê.
• Đầu dò kép (dual probes) chứa hai cảm biến nhiệt trong cùng một vỏ bọc, cho phép kết nối với hai đầu thu dữ liệu khác nhau. Ví dụ, một đầu dò kép có thể truyền dữ liệu nhiệt độ cùng lúc cho phần mềm bên ngoài như Cropster và bảng điều khiển của máy rang.

Vị trí đặt đầu dò trong máy rang trống

Các phép đo quan trọng nhất là nhiệt độ của khối hạt cà phê (bean temperature, hay BT) và nhiệt độ của khí nóng trong quá trình rang, thường được đo gần nơi khí thoát ra khỏi trống rang hoặc trong ống xả (environmental/exhaust temperature, hay ET). Một số máy còn đo thêm nhiệt độ khí đầu vào hoặc các vị trí khác. Vị trí đầu dò nhiệt cực kỳ quan trọng để có số liệu chính xác và nhất quán. Các nhà sản xuất hiện nay thường thiết kế vị trí đầu dò hợp lý. Tuy nhiên, nếu đầu dò nào đó đặt sai, bạn cần điều chỉnh lại, thậm chí có thể phải khoan lỗ mới để lắp lại.

Nhiệt độ hạt (Bean Temperature)

Đầu dò nên được cắm vào trong trống rang với độ sâu tối thiểu gấp 10 lần đường kính của đầu dò – nghĩa là với đầu dò có đường kính 3 mm, phần đầu dò nhô vào trống nên dài ít nhất 3 cm. Trong trường hợp vị trí này khiến đầu dò va chạm với các cánh đảo (vanes) bên trong trống, bạn có thể xử lý bằng cách uốn cong nhẹ đầu dò. Khi uốn, cần đảm bảo phần cong của đầu dò song hướng với chuyển động của hạt cà phê trong trống, và đầu dò nằm chính giữa đống hạt để thu thập dữ liệu chính xác nhất.

Nếu đầu dò nhiệt độ hạt (BT) không được đặt chìm hoàn toàn trong đống hạt, thì nhiệt độ không khí môi trường xung quanh sẽ ảnh hưởng đến kết quả đo, khiến các đường biểu diễn nhiệt độ BT và ET (environmental temperature) chạy gần như song song nhau, làm sai lệch thông tin về quá trình phát triển nhiệt trong hạt.

Nhiệt độ Môi trường (Environmental Temperature)

Đầu dò đo nhiệt độ môi trường (ET) có thể được đặt ở vị trí cao trong trống rang, đối diện với đầu dò nhiệt độ hạt, hoặc nó có thể được đặt ở ống xả. Dù ở vị trí nào, đầu dò cũng nên được lắp đặt sao cho nó đo được nhiệt độ của khí nóng sau khi đã đi qua khối hạt cà phê.

Sự khác biệt giữa nhiệt độ môi trường (ET) và nhiệt độ hạt (BT) là yếu tố chính thúc đẩy quá trình truyền nhiệt trong quá trình rang – sự chênh lệch giữa ET và BT càng lớn thì tốc độ tăng nhiệt dự kiến càng cao. Nếu đầu dò được đặt ở ống xả, các giá trị nhiệt độ đo được sẽ thấp hơn, vì khí nóng mất nhiệt trong ống xả. Trong trường hợp này, nhiệt độ ET đo được có thể thấp hơn cả nhiệt độ BT, mặc dù khí nóng vẫn đang truyền nhiệt cho hạt cà phê (Rao, 2022).

Một số máy rang, đặc biệt là máy rang khí nóng, có thêm một đầu dò để đo nhiệt độ của khí nóng đầu vào. Đầu dò này thường được đặt ở mặt sau của máy rang, nơi khí nóng đi vào trống.

Cảm ơn bạn đã theo dõi loạt bài Hướng dẫn Rang cà phê từ PrimeCoffee. Tất cả nội dung đều được chúng mình tổng hợp và biên soạn kỹ lưỡng từ những nguồn tài liệu uy tín. Chúng mình khuyến khích bạn chia sẻ kiến thức này – nhưng vui lòng không sao chép hoặc tái bản dưới bất kỳ hình thức nào.