Por el profesor Steven Abbott

Si tuestas café, quizás quieras jugar con una tostadora virtual para ver qué sucede. Puedes crear tu tueste perfecto o hacer “choques”, “movimientos de la muerte” e incluso prender fuego a los granos. Y también puede profundizar su comprensión de lo que sucede en su propia máquina. La aplicación es gratuita y libre de anuncios. Solo ve acá y disfruta jugando con él. Cada vez que cierra la aplicación, recuerda su configuración anterior. Si estos lo han llevado a un lugar salvaje (o se pierde mientras juega con la aplicación), haga clic en Restaurar valores predeterminados para regresar a la configuración en la captura de pantalla.

En este tutorial, el profesor Abbott nos muestra cómo usar su nueva aplicación Coffee Roasting.

¿Por qué una aplicación para asar?

Empezó por accidente. El equipo de Barista Hustle me hizo algunas preguntas acerca de los choques y cambios bruscos en el tostado del café y, cuando comencé a pensar en ello, me di cuenta de que tenía que desentrañar múltiples efectos. Esto no fue solo para mi propio beneficio, sino porque hay muchos debates y opiniones sobre lo que está pasando, y muchas de las ideas eran bastante vagas. Lo bueno de escribir una aplicación es que no puedes agitar las manos. Tienes que seguir la física, lo mejor que puedas, y ver qué pasa.

La versión actual es el resultado de muchas salidas en falso y reescrituras gracias a las críticas del equipo de BH. Pueden atribuirse el mérito de muchas de las cosas buenas de la aplicación; toda la culpa de las cosas malas es mía.

Para tener una idea de la aplicación, primero hagamos el truco de la física para abordar un problema más simple. Esto nos permite comprender los efectos centrales para que luego podamos presentar los problemas del mundo real.

Los procesos básicos

Imaginemos algunos frijoles ficticios que tienen una forma, tamaño, densidad, capacidad calorífica como frijoles reales pero que no pierden humedad al calentarse, y no se agrietan ni se queman. La física de lo que sucede cuando se agregan por primera vez a una tostadora caliente es sencilla. El aire caliente en el tambor se enfriará, el tambor mismo se enfriará y la temperatura del grano comenzará a aumentar. A medida que volteamos los granos en el tambor, el aire caliente de la entrada transferirá calor por convección y saldrá más frío por el escape, el tambor transferirá calor por conducción y, por ambas causas, aumentará la temperatura del grano. La tasa de aumento, ROR, será grande al principio porque depende de los valores grandes de ΔT ("delta-T"), las diferencias en las temperaturas del aire al grano y del tambor al grano. A medida que los frijoles se calientan, ΔT se vuelve más pequeño, el ROR disminuye... hasta que los frijoles alcanzan un equilibrio valor y ΔT = 0. Tenga en cuenta que en las escalas de tiempo de interés, no hay un gradiente de temperatura significativo desde el exterior hacia el interior de cada grano.

Además de los efectos ΔT, el ROR depende del área de contacto de los granos con el tambor (cuanto más alta, más conductiva se produce la transferencia) y del flujo de aire alrededor de los granos: cuanto más rápido es el flujo, mayor es la transferencia de calor. coeficiente.

El área de contacto del grano con el tambor no cambiará mucho hasta una velocidad del tambor en la que los granos vuelen por todas partes. En cambio, hasta cierto punto, la velocidad del tambor ayuda a aleatorizar los contactos de grano a tambor, lo que reduce las posibilidades de que cualquier grano permanezca demasiado tiempo en contacto. Al impartir velocidad a las perlas voladoras, el tambor funciona junto con el flujo de aire para aumentar el coeficiente de transferencia de calor del aire caliente. Si el tambor gira demasiado rápido, las fuerzas centrífugas atrapan los frijoles contra la pared. Si el flujo de aire es demasiado alto, entonces se aspira demasiado aire frío. En ambos casos, el ROR por convección disminuye.

Hay una característica clave más. El aire caliente entra por un extremo del tambor y sale más frío hacia el escape. Esto significa que los granos experimentan valores de ΔT variables a lo largo del tambor, por lo tanto, un aspecto clave del diseño del tambor es un mecanismo para hacer circular los granos a lo largo del tambor. En un mundo ideal, tendríamos sensores de temperatura en el primer cuarto, el medio y el tercer cuarto de la longitud del tambor para saber mejor qué está pasando. Por ahora, supondremos que una sola sonda proporciona suficiente información para que tuestemos de manera confiable.

¿Qué estamos midiendo?

Si conocemos la temperatura de nuestro tambor, DT, la temperatura de entrada, IT, la temperatura de los granos, BT y la temperatura de escape, ET y si continuamos con nuestros granos ficticios, entonces no es tan difícil poder probar y validar un modelo térmico básico. procesos. De hecho, la parte más difícil de esto es encontrar un saco de frijoles falsos adecuados. Una vez que hayamos validado nuestro modelo, podemos comenzar a tostar granos reales. Las diferencias que encontremos se deben a las partes interesantes del proceso de tostado: la pérdida de agua y los eventos alrededor del primer (y segundo) crack, esas cosas que inspiraron las preguntas sobre choques y sacudidas.

El problema es que la mayoría de los sistemas de tueste nos brindan solo medidas indirectas. En tales casos, el truco consiste en hacer lo mejor que pueda con cualquier información que tenga y presionar para obtener cualquier cosa que pueda brindarle información algo mejor por un esfuerzo adicional razonable.

A diferencia de la aplicación que tiene 4 curvas, la mayoría de los gráficos de tueste tienen 3: ET, BT y ROR. Vamos a ver por qué yo tuvo para sumar los 4th curva, TI. 

La ET a menudo se denomina temperatura ambiental (o de escape) y aquellos que la llaman temperatura ambiental podrían pensar que esto indica el entorno en el que se tuestan los granos. Esto no puede ser cierto. Los valores de ET a menudo muestran una respuesta sorprendentemente pequeña a cosas como la configuración del quemador y, lo que es más confuso, a veces se lee más bajo que el BT. Esto significa que ET no puede estar impulsando el proceso de tostado, porque un BT más alto significaría un ΔT negativo que enfriaría los granos. En cambio, debido a que es más como una temperatura de escape (la sonda ET a menudo está en el conducto de escape), refleja lo que tiene pasó en el tambor, es noticia vieja. Entonces, si, por ejemplo, aumenta la configuración del quemador pero los granos absorben todo ese calor adicional, la ET permanecerá sin cambios. De manera similar, el calor en los frijoles mantendrá la ET relativamente constante si reduce la configuración del quemador. El hecho de que ET pueda ser más bajo que BT en algunas curvas de tueste tiene más que ver con dónde está la sonda de ET (y cuánto se enfría el aire de escape) que con el proceso de tueste.

El BT es también un término engañoso. Comienza alto (generalmente similar a ET) cuando no hay granos, luego se hunde a un nivel bajo antes de alcanzar el punto de inflexión, que es un indicador clave utilizado por los tostadores. El término es engañoso porque los propios granos comienzan a temperatura ambiente y aumentan constantemente de temperatura. Los frijoles en sí mismos nunca experimentan "el giro", ¿cómo podrían? Entonces, el BT es, en realidad, la temperatura de Bean-Probe, que es una mezcla de la temperatura del aire local y la temperatura del frijol y la historia pasada.

El ROR es la tasa de aumento de la temperatura de la sonda de frijol. Más adelante en el tueste está más cerca de ser el ROR de los granos, pero siempre debemos recordar que los valores que vemos son una mezcla de efectos.

Para completar nuestras medidas necesitamos, obviamente, la temperatura del tambor, DT y la temperatura de entrada IT. Para mi sorpresa, DT parece ser un desconocido para la mayoría de las máquinas. Dado que no puede ser ese Es difícil medir la temperatura de un gran trozo de metal. Me sorprende que no sea una parte rutinaria de todas las buenas configuraciones de tueste. Si tuviera una máquina, ciertamente haría un esfuerzo para obtener una salida DT significativa. Pero para el resto de este artículo, solo tengo que asumir que es desconocido, y la aplicación, por ahora, no intenta incluir la transferencia de calor conductiva desde el tambor.

Tengo la impresión de que TI es está disponible en muchas máquinas pero rara vez se usa; lo he visto en muy pocas tablas de tueste. Esto parece desafortunado porque es la TI la que está impulsando el proceso de tueste y responde tanto a la configuración del quemador como al flujo de aire, por lo que nos brinda datos directos valiosos. Me han dicho que es una medida poco fiable, incluso sin sentido, porque depende en gran medida de dónde se coloque en la entrada: los valores pueden cambiar en muchas decenas de grados con solo subirlo o bajarlo un poco. Si yo fuera un tostador, haría todo lo posible para obtener una medición estable y significativa de TI, y la usaría como mi impulsor clave para controlar el proceso de tostado.

Dadas las circunstancias, no tengo más remedio que proporcionar una entrada de TI idealizada a la aplicación y usarla para los cálculos básicos en BT. Mi implementación de TI está limitada por el hecho de que los resultados de BT y ET deben coincidir con las curvas que comúnmente se encuentran allí. Porque mi ET sigue el proceso en lugar de unidades al centrarse en TI, la cadena de causa y efecto debería ser más clara. 

Para cuando lea esto, la aplicación puede verse diferente, pero tiene una idea general. El usuario puede especificar el peso del grano, la humedad, la T inicial, la potencia máxima del quemador y varias opciones sofisticadas, como la velocidad relativa del aire/tambor (siendo la configuración 3 la óptima) y las velocidades de respuesta del sistema (siendo 3 la nominal). Antes de probar la aplicación y deslizar los controles deslizantes, recuerda la regla principal: tú tienes el poder.

Tu tienes el poder

Durante un asado se ajusta la potencia (llama, quemador…), normalmente escalonada hacia abajo a medida que avanza el asado. Es un poco complicado especificar esto en una aplicación y he elegido la forma menos mala. Ingresa un conjunto de valores T y P%, es decir, la potencia % que se configurará cuando el asado alcance la temperatura T. Para configurar el % inicial, comience con, digamos, 0,90 (para usar 90% de su potencia máxima del quemador) luego siga con, digamos, 145,80 160,70 170,60 180,40 190,20 para establecer la potencia en 80% a 145 °C, 70% a 160 °C, etc. La regla es proporcionar pares separados por comas, con un espacio en el medio, y con valores T que aumentan de izquierda a derecha, pero la aplicación puede corregir muchas entradas imprecisas.

Lo bueno es que puede escribir en el cuadro T,Power% hasta que tenga lo que desea, luego presione enter/return para hacer el cálculo. Esto hace que sea menos estresante ingresar su configuración. Si no te gusta ese 60% a 170°C, simplemente cámbialo a 55 y presiona regresar para ver si los resultados son mejores.

A algunos de ustedes también les gustaría modificar la velocidad del tambor o el flujo de aire durante el tueste. Aunque yo pudo agregue esta característica, hace que la aplicación sea aún más complicada. Y mi instinto científico es que cambiar múltiples variables durante una ejecución es una estrategia subóptima a menos que realmente sepa qué factores están cambiando qué otros factores.

Mirando los resultados

El gráfico superior muestra IT, ET y BT y la tasa de aumento de BT, ROR. Tenga en cuenta que, como en todas mis aplicaciones, me niego a usar unidades estadounidenses. El gráfico inferior muestra la potencia (para brindarle una verificación visual de sus entradas T,Power% y el momento en que cambia la potencia), el peso del grano y el contenido de agua. 

La configuración predeterminada hace un trabajo razonable al crear un conjunto de curvas que son reconocibles para la mayoría de los tostadores, aunque la curva de TI que impulsa la aplicación generalmente no se registra. Al principio, ve caer ET (modestamente) y BT (mucho) y ve el punto de inflexión que se emite como tDoblar. Recuerde que esta es una lectura falsa ya que los beans no muestran ningún punto de inflexión; es solo una huella dactilar útil para la configuración de su máquina. A medida que avanza el tueste, los ajustes de potencia disminuyen, con la TI en el gráfico superior disminuyendo en consecuencia, con una respuesta instantánea efectiva. Aunque la reducción del TI es importante, es relativamente modesta. El efecto principal proviene de la cantidad de calor disponible, que es una parte clave del cálculo: la temperatura y el calor tienen una relación compleja. El ROR muestra una caída bastante constante, luego hay un parpadeo en primer crack (con tFC que se muestra en los resultados) que es científicamente razonable (enfriamiento repentino a medida que el agua se evapora). Las curvas de color rojo oscuro y azul claro en el gráfico inferior muestran la pérdida constante de masa total y de agua, con pérdidas repentinas en primer crack.

Tenga en cuenta que los valores de T que medimos a menudo se retrasan muchos segundos con respecto a la realidad. Esto se debe a que las mediciones son ruidosas, por lo que usamos un tiempo de "integración" para promediar el ruido. El rel. El factor de respuesta en la aplicación le permite ver qué sucede con los gráficos si la respuesta es más lenta o más rápida.

Tenga en cuenta también que la aplicación, por el momento, no tiene una opción de "remojo". Actualmente no tengo suficiente información para saber cómo implementar esto.

En esta versión de la aplicación, los eventos en primer crack son mi mejor intento de mostrar lo que puede salir bien... y lo que puede salir mal. El plan es refinar el código una vez que sepamos más. Con algunos ajustes, es posible que se produzca un pico de temperatura algún tiempo después primer crack. Eso no es el golpe de la muerte, son tus frijoles secos ardiendo. 

Calibración del sistema

El objetivo de la aplicación es explorar cómo el ROR depende de la gradual pérdida de humedad, y los diversos eventos alrededor primer crack etc. y cómo nuestros cambios en la configuración del tostador pueden influir en estos efectos. Pero primero debemos saber que la aplicación puede hacer un trabajo decente al simular los efectos T generales, lo que a su vez significa que necesitamos más datos que muestren de manera confiable lo que está sucediendo.

¿Cómo podemos saber si la aplicación está funcionando bien? Tostando algunos frijoles falsos. 

Volviendo al comienzo de este artículo, imagina que tenemos varios kg de gránulos similares a los frijoles que son térmicamente estables, resistentes (para que no se rompan y dejen residuos), sin olor y con aproximadamente las mismas propiedades térmicas que los frijoles verdes (nosotros puede corregir matemáticamente cualquier diferencia en capacidad calorífica y densidad). Ahora los "tostamos". Debido a que no hacen nada complicado como desprender agua o agrietarse bajo presión interna, vemos el comportamiento puramente térmico de nuestro sistema. Esto nos permite aumentar nuestra comprensión de lo que sucede cuando ajustamos la configuración de nuestro tostador (podemos volvernos locos, sin preocuparnos por desperdiciar o quemar los preciosos granos de café). Una vez que comprendamos los conceptos básicos, podemos ejecutar estos granos de calibración usando nuestro protocolo estándar de tostado real y luego ejecutar algunos granos reales bajo el mismo protocolo. Las diferencias entre los dos se deben a la pérdida de agua, las grietas y las reacciones químicas, todas las cosas interesantes e importantes. Esto les dará a los tostadores una visión profunda de las sutilezas de sus tuestes y ayudará a resolver preguntas como el origen del golpe de la muerte.

Espero que esto suceda. 

Controversias

Uno de los debates clave es sobre el efecto refrescante del agua que sale lentamente de los frijoles antes primer crack. Mi opinión es que el efecto sobre el ROR es pequeño, simplemente el efecto de la “entalpía de vaporización” del agua. Otros piensan que el agua que escapa de alguna manera protege a los granos del aire caliente, lo que reduce significativamente el coeficiente de transferencia de calor y, por lo tanto, el ROR. Estos son los tipos de problemas complejos que podremos resolver una vez que tengamos buenos datos de comparación.

Otro debate es acerca de cuánto de la película se debe a reacciones químicas y cuánto se debe al mayor ΔT causado por el efecto de enfriamiento del agua que se evapora rápidamente. Nuevamente, con más confianza en los conceptos básicos del modelo, podríamos desentrañar estos efectos.

Y hay hechos y factoides por ahí. Por ejemplo, si es cierto que los cafés lavados colapsan más que los naturales, ¿cuál podría ser la causa principal? ¿Los granos más duros se rompen con más violencia y, de ser así, hay un choque más grande y un golpe más grande? Si el proceso de tueste es demasiado uniforme y el primer crack es súper violento ya que los frijoles explotan de una sola vez, ¿el choque y el movimiento son peores?

Mi esperanza es que el enfoque basado en aplicaciones nos ayude a resolver estos problemas como comunidad.

Un trabajo en progreso

La aplicación y este artículo son solo el comienzo de un viaje. Aquellos lectores con un conocimiento razonable de JavaScript pueden hacer clic en el botón ShowCode y ver qué hay detrás de los cálculos (también pueden tomar el código y usarlo de la forma que deseen: mi sitio es de código abierto, Creative Commons). Existen numerosos factores de elusión para permitir una simulación plausible. Si tuviéramos sacos de frijoles ficticios para asar en condiciones muy diferentes, podríamos refinar estos factores de dulce, listos para abordar los problemas más complejos de los frijoles reales. Para ayudar en este proceso, podría agregar opciones para guardar la configuración de la aplicación como un archivo de texto simple que podemos cargar más tarde o enviar a otros. Hasta entonces, póngase en contacto conmigo directamente en [email protected] con sus críticas, sugerencias y preguntas.

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Sobre el Autor

Del profesor Steven Abbott recursos en línea gratuitos de aplicaciones y libros electrónicos son una opción para cualquiera que se tome en serio la ciencia de la extracción. Su extraordinaria carrera lo ha llevado por todo el mundo, con trabajos que han incluido trabajar con productores de banano en Filipinas, empresas de impresión en Colombia y una empresa de válvulas de bolsas de café en los EE. UU.

Abbott es un experto mundial en ciencia del secado y difusión. Ha trabajado durante muchos años en la industria del revestimiento y la impresión, especializándose en nanocoatings y nanoestructuras. Ahora trabaja como consultor independiente y divide su tiempo entre escribir aplicaciones gratuitas para formuladores, asesorar a la industria y dirigir su negocio de software técnico. Él maneja todo esto mientras posee una pasión por el buen café, en particular el método de preparación Ibrik.