Del Prof. Steven Abbott

Se tosti il caffè, ti potrebbe piacere giocare con una tostatrice virtuale per vedere cosa sta succedendo. Puoi creare il tuo arrosto perfetto o fare "crash", "flicks of death" e persino dare fuoco ai fagioli. E puoi anche approfondire la tua comprensione di ciò che sta accadendo nella tua macchina. L'app è gratuita e priva di pubblicità. Solo vai qui e divertiti a giocarci. Ogni volta che chiudi l'app, ricorda le tue impostazioni precedenti. Se questi ti hanno portato in un luogo selvaggio (o ti sei perso mentre giocavi con l'app), fai clic su Ripristina impostazioni predefinite per tornare alle impostazioni nella schermata.

In questo tutorial, il professor Abbott ci spiega come utilizzare la sua nuova app per la torrefazione del caffè

Perché un'app per la torrefazione?

È iniziato per caso. Il team di Barista Hustle mi ha posto alcune domande su arresti anomali e colpi di scena nella tostatura del caffè e quando ho iniziato a pensarci, mi sono reso conto che dovevo districare più effetti. Questo non è stato solo a mio vantaggio, ma perché ci sono molti dibattiti e opinioni là fuori su quello che sta succedendo, e molte delle idee erano piuttosto vaghe. Il bello di scrivere un'app è che non puoi agitare le mani. Devi seguire la fisica, nel miglior modo possibile, e vedere cosa succede.

La versione attuale è il risultato di molte false partenze e riscritture grazie alle critiche del team BH. Possono prendersi il merito di molte delle cose buone nell'app; tutta la colpa per le cose brutte va a me.

Per avere un'idea dell'app, facciamo prima il trucco della fisica per affrontare un problema più semplice. Questo ci consente di comprendere gli effetti principali in modo da poter quindi introdurre i problemi del mondo reale

I processi di base

Immaginiamo dei finti fagioli che abbiano forma, dimensione, densità, capacità termica come veri chicchi ma che non perdono umidità per riscaldamento, non si crepano e non bruciano. La fisica di ciò che accade quando vengono aggiunti per la prima volta a una torrefazione calda è semplice. L'aria calda nel tamburo si raffredderà, il tamburo stesso si raffredderà e la temperatura del chicco inizierà a salire. Mentre ruotiamo i chicchi nel tamburo, l'aria calda dall'ingresso trasferirà il calore per convezione ed emergerà più fredda nello scarico, il tamburo trasferirà il calore per conduzione, e da entrambe le cause la temperatura del chicco aumenterà. Il tasso di aumento, ROR, sarà inizialmente elevato perché dipende dai grandi valori ΔT ("delta-T"), dalle differenze nelle temperature aria-chicco e tamburo-chicco. Man mano che i chicchi diventano più caldi, ΔT diminuisce, il ROR diminuisce... fino a quando i chicchi raggiungono an equilibrio valore e ΔT = 0. Si noti che nelle scale temporali di interesse non vi è alcun gradiente di temperatura significativo dall'esterno all'interno di ogni fagiolo.

Oltre agli effetti ΔT, il ROR dipende dall'area di contatto dei chicchi con il tamburo (più alto è il trasferimento conduttivo) e dal flusso d'aria attorno ai chicchi: più veloce è il flusso, maggiore è il trasferimento di calore coefficiente.

L'area di contatto tra chicco e tamburo non cambierà molto fino a una velocità del tamburo in cui i chicchi volano dappertutto. Invece, fino a un certo punto, la velocità del tamburo aiuta a rendere casuali i contatti tra chicco e tamburo, riducendo le possibilità che un dato chicco rimanga troppo a lungo in contatto. Imprimendo velocità alle sfere volanti, il tamburo collabora con il flusso d'aria per aumentare il coefficiente di trasferimento del calore dall'aria calda. Se il tamburo gira troppo velocemente, i chicchi vengono inchiodati al muro dalle forze centrifughe. Se il flusso d'aria è troppo elevato, viene aspirata troppa aria fredda. In entrambi i casi, il ROR per convezione diminuisce.

C'è un'altra caratteristica chiave. L'aria calda entra da un'estremità del tamburo ed esce più fredda verso lo scarico. Ciò significa che i chicchi sperimentano valori ΔT variabili lungo il tamburo, quindi un aspetto chiave del design del tamburo è un meccanismo per far circolare i chicchi lungo la lunghezza del tamburo. In un mondo ideale avremmo sensori di temperatura nel primo quarto, nel mezzo e nel terzo quarto della lunghezza del tamburo per sapere meglio cosa sta succedendo. Per ora partiremo dal presupposto che una singola sonda fornisca informazioni sufficienti per consentirci di arrostire in modo affidabile.

Cosa stiamo misurando?

Se conosciamo la nostra temperatura del tamburo, DT, temperatura di ingresso, IT, temperatura del chicco, BT e temperatura di scarico, ET e se continuiamo con i nostri fagioli fittizi, allora non è così difficile essere in grado di testare e convalidare un modello della termica di base processi. In effetti, la parte più difficile è trovare un sacco di fagioli fittizi adatti. Una volta convalidato il nostro modello, possiamo iniziare a tostare chicchi veri. Le differenze che troveremo saranno dovute alle parti interessanti del processo di torrefazione: la perdita di acqua e gli eventi intorno al primo (e al secondo) crack, quelle cose che hanno ispirato le domande su crash e colpi di frusta.

Il problema è che la maggior parte dei sistemi di tostatura ci fornisce solo misure indirette. In questi casi, il trucco è fare il meglio che puoi con qualsiasi informazione tu abbia e spingere per qualsiasi cosa possa darti informazioni in qualche modo migliori per uno sforzo extra ragionevole.

A differenza dell'app che ha 4 curve, la maggior parte dei grafici di tostatura ne ha 3: ET, BT e ROR. Vediamo perché io aveva aggiungere il 4ns curva, IT. 

L'ET è spesso chiamato temperatura ambientale (o di scarico) e chi la chiama temperatura ambiente potrebbe pensare che questo indichi l'ambiente in cui i chicchi vengono tostati. Questo non può essere vero. I valori ET spesso mostrano una risposta sorprendentemente scarsa a cose come le impostazioni del masterizzatore e, cosa più confusa di tutte, a volte leggono inferiori al BT. Ciò significa che ET non può guidare il processo di tostatura, perché un BT più alto significherebbe un ΔT negativo che raffredderebbe i chicchi. Invece, poiché è più simile a una temperatura di scarico (la sonda ET è spesso nel condotto di scarico) riflette ciò che ha successo nel tamburo, è una notizia vecchia. Quindi, se, ad esempio, aumenti l'impostazione del bruciatore ma tutto quel calore extra viene assorbito dai chicchi, l'ET rimarrà invariato. Allo stesso modo, il calore nei chicchi manterrà l'ET relativamente costante se si riduce l'impostazione del bruciatore. Il fatto che ET possa essere inferiore a BT in alcune curve di tostatura dipende più dalla posizione della sonda ET (e dalla quantità di raffreddamento dell'aria di scarico) che dal processo di tostatura.

Il BT è anche un termine fuorviante. Inizia alto (di solito simile a ET) quando non ci sono chicchi, poi scende a un livello basso prima di raggiungere il punto di svolta che è un indicatore chiave utilizzato dai torrefattori. Il termine è fuorviante perché i chicchi stessi iniziano a temperatura ambiente e aumentano costantemente di temperatura. I fagioli stessi non sperimentano mai "la svolta", come potrebbero? Quindi il BT è, in realtà, la temperatura Bean-Probe, che è un mix della temperatura dell'aria locale, della temperatura del fagiolo e della storia passata.

Il ROR è il tasso di aumento della temperatura della sonda-chicco. Successivamente nella tostatura è più vicino ad essere il ROR dei chicchi, ma bisogna sempre ricordare che i valori che vediamo sono un insieme di effetti.

Per completare le nostre misurazioni abbiamo, ovviamente, bisogno della temperatura del tamburo, DT e della temperatura di ingresso IT. Con mia sorpresa, DT sembra essere sconosciuto per la maggior parte delle macchine. Visto che non può essere Quello difficile misurare la temperatura di un grosso pezzo di metallo Trovo sorprendente che non sia una parte di routine di tutte le buone configurazioni di torrefazione. Se avessi una macchina, farei sicuramente uno sforzo per ottenere un output DT significativo. Ma per il resto di questo articolo devo solo presumere che sia sconosciuto e l'app, per ora, non fa alcun tentativo di includere il trasferimento di calore conduttivo dal tamburo.

Ho l'impressione che IT è disponibile su molte macchine ma raramente utilizzato - l'ho visto su pochissime tabelle di tostatura. Questo sembra un peccato perché è l'IT che guida il processo di tostatura e risponde sia alle impostazioni del bruciatore che del flusso d'aria, quindi ci fornisce preziosi dati diretti. Mi è stato detto che è una misura inaffidabile, persino insignificante, perché dipende fortemente da dove è posizionata nell'ingresso – i valori possono cambiare di molte decine di gradi semplicemente alzandola o abbassandola un po'. Se fossi un torrefattore, farei tutto il possibile per ottenere una misurazione stabile e significativa dell'IT e utilizzarla come fattore chiave per il controllo del processo di tostatura.

Date le circostanze, non ho altra scelta che fornire un input IT idealizzato all'app e utilizzarlo per i calcoli di base su BT. La mia implementazione dell'IT è vincolata dal fatto che i risultati di BT e ET devono corrispondere bene alle curve che si trovano comunemente là fuori. Perché il mio ET segue il processo piuttosto che azionamenti it, concentrandosi sull'IT, la catena di causa ed effetto dovrebbe essere più chiara. 

Quando leggi questo, l'app potrebbe sembrare diversa, ma hai un'idea generale. L'utente può specificare il peso del chicco, l'umidità, la T iniziale, la potenza massima del bruciatore e varie opzioni fantasiose come la velocità relativa del tamburo/aria (con l'impostazione 3 ottimale) e le velocità di risposta del sistema (con 3 nominale). Prima di provare l'app e i cursori scorrevoli, ricorda la regola principale: hai il potere.

Hai il potere

Durante l'arrosto la potenza (fiamma, bruciatore...) viene regolata, di solito diminuisce man mano che l'arrosto avanza. È un po' complicato specificarlo in un'app e ho scelto il modo meno sbagliato. Si inserisce una serie di valori T e P%, ovvero la potenza % da impostare quando l'arrosto raggiunge la temperatura T. Per impostare l'% iniziale si inizia con, diciamo, 0,90 (per utilizzare 90% della potenza massima del bruciatore) quindi si segue con, diciamo, 145,80 160,70 170,60 180,40 190,20 per impostare la potenza su 80% a 145°C, 70% a 160°C ecc. La regola è fornire coppie separate da virgole, con uno spazio nel mezzo e con valori T che salgono da sinistra a destra, ma l'app può correggere molte voci imprecise.

La cosa bella è che puoi digitare nella casella T,Power% finché non hai quello che vuoi, quindi premi invio/ritorno per fare il calcolo. Questo rende meno stressante inserire le impostazioni. Se non ti piace quel 60% a 170°C, cambialo a 55 e premi Invio per vedere se i risultati sono migliori.

Alcuni di voi vorrebbero anche modificare la velocità del tamburo o il flusso d'aria durante l'arrosto. sebbene io potevo aggiungi questa funzione, rende l'app ancora più complicata. E il mio istinto scientifico è che cambiare più variabili durante una corsa è una strategia non ottimale a meno che tu non sappia veramente quali fattori stanno cambiando quali altri fattori.

Guardando i risultati

Il grafico in alto mostra IT, ET e BT e il tasso di crescita di BT, ROR. Nota che, come in tutte le mie app, mi rifiuto di utilizzare le unità statunitensi. Il grafico inferiore mostra la potenza (per darti un controllo visivo degli ingressi T,Power% e l'ora in cui la potenza cambia), il peso del chicco e il contenuto d'acqua. 

Le impostazioni predefinite svolgono un lavoro ragionevole nel creare una serie di curve riconoscibili dalla maggior parte dei torrefattori, sebbene la curva IT che guida l'app di solito non venga registrata. All'inizio vedi ET cadere (modestamente) e BT cadere (molto) e vedi il punto di svolta che viene emesso come tGiro. Ricorda che questa è una lettura fasulla poiché i fagioli non mostrano alcun punto di svolta: è solo un'impronta digitale utile per la configurazione della tua macchina. Man mano che l'arrosto va avanti, le impostazioni di potenza diminuiscono, con l'IT nel grafico in alto che diminuisce di conseguenza, con una risposta effettivamente istantanea. Sebbene la riduzione dell'IT sia importante, è relativamente modesta. L'effetto principale deriva dalla quantità di calore disponibile che è una parte fondamentale del calcolo: temperatura e calore hanno una relazione complessa. Il ROR mostra un calo abbastanza costante, poi c'è un blip prima crepa (con TFC mostrato nei risultati) che è scientificamente ragionevole (raffreddamento improvviso quando l'acqua evapora). Le curve rosso scuro e azzurro nel grafico inferiore mostrano la costante perdita di massa totale e di acqua, con improvvise perdite a prima crepa.

Si noti che i valori T che misuriamo sono spesso in ritardo di molti secondi rispetto alla realtà. Questo per la buona ragione che le misurazioni sono rumorose, quindi usiamo un tempo di "integrazione" per calcolare la media del rumore. La Rel. Il fattore di risposta nell'app ti consente di vedere cosa succede ai grafici se la risposta è più lenta o più veloce.

Nota anche che l'app, per il momento, non ha un'opzione "ammollo". Al momento non ho abbastanza informazioni per sapere come implementarlo.

In questa versione dell'app, gli eventi di prima crepa sono il mio miglior tentativo di mostrare cosa può andare bene... e cosa può andare storto. Il piano è di perfezionare il codice una volta che ne sapremo di più. Con alcune impostazioni potresti riscontrare un picco di temperatura qualche tempo dopo prima crepa. Non è il colpo mortale, sono i tuoi fagioli secchi che bruciano. 

Calibrazione del sistema

Il punto centrale dell'app è esplorare come il ROR dipende dalla gradualità perdita di umidità, e i vari eventi in giro prima crepa ecc. e come le nostre modifiche alle impostazioni della tostatrice possono influenzare questi effetti. Ma prima dobbiamo sapere che l'app può fare un lavoro decente nel simulare gli effetti T complessivi, il che a sua volta significa che abbiamo bisogno di più dati che mostrino in modo affidabile cosa sta succedendo.

Come possiamo sapere se l'app sta facendo un buon lavoro? Arrostendo dei fagioli finti. 

Tornando all'inizio di questo articolo, immagina di avere diversi kg di pellet simili a fagioli che sono termicamente stabili, resistenti (quindi non si rompono e non lasciano residui), zero odore e con approssimativamente le stesse proprietà termiche dei fagiolini (noi può correggere matematicamente eventuali differenze in capacità termica e densità). Ora li "arrostiamo". Poiché non fanno nulla di complicato come emettere acqua o creparsi sotto la pressione interna, vediamo il comportamento puramente termico del nostro sistema. Questo ci consente di aumentare la nostra comprensione di ciò che accade quando regoliamo le impostazioni della torrefazione (possiamo scatenarci, senza preoccuparci di sprecare o bruciare preziosi chicchi di caffè). Una volta comprese le nozioni di base, possiamo eseguire questi chicchi di calibrazione utilizzando il nostro protocollo di tostatura reale standard, quindi eseguire alcuni chicchi reali con lo stesso protocollo. Le differenze tra i due saranno dovute a perdite d'acqua, crepe e reazioni chimiche, tutte cose interessanti e importanti. Ciò fornirà ai torrefattori informazioni approfondite sulle sottigliezze dei loro arrosti e aiuterà a risolvere domande come l'origine del colpo mortale.

Non vedo l'ora che accada. 

Controversie

Uno dei dibattiti chiave riguarda l'effetto di raffreddamento dell'acqua che fuoriesce lentamente dai chicchi prima prima crepa. La mia opinione è che l'effetto sul ROR sia piccolo, semplicemente l'effetto dell'"entalpia di vaporizzazione" dell'acqua. Altri pensano che l'acqua che fuoriesce protegga in qualche modo i chicchi dall'aria calda, abbassando sensibilmente il coefficiente di scambio termico e, quindi, il ROR. Questi sono i tipi di problemi complessi che saremo in grado di risolvere una volta che avremo buoni dati di confronto.

Un altro dibattito riguarda quanto del film sia dovuto a reazioni chimiche e quanto sia dovuto al maggiore ΔT causato dall'effetto di raffreddamento dell'acqua che evapora rapidamente? Ancora una volta, con maggiore fiducia nelle basi del modello, potremmo essere in grado di districare questi effetti.

E ci sono fatti e fatti là fuori. Ad esempio, se è vero che i caffè lavati crollano più dei naturali, quale potrebbe essere la causa principale? I fagioli più duri si rompono più violentemente e, in tal caso, c'è uno schianto più grande e un colpo più grande? Se il processo di tostatura è troppo uniforme e il prima crepa è super violento quando i fagioli esplodono in una volta sola, lo schianto e il colpo sono peggiori?

La mia speranza è che l'approccio basato su app ci aiuti a risolvere questi problemi come comunità.

Un lavoro in corso

L'app e questo articolo sono solo l'inizio di un viaggio. Quei lettori con una conoscenza ragionevole di JavaScript possono fare clic sul pulsante ShowCode e vedere cosa c'è dietro i calcoli (sono anche invitati a prendere il codice e usarlo come vogliono - il mio sito è Open Source, Creative Commons). Esistono numerosi fattori di confusione per consentire una simulazione plausibile. Se avessimo sacchi di finti fagioli da arrostire in condizioni completamente diverse, potremmo perfezionare questi fattori di caramella, pronti ad affrontare i problemi più complessi dei veri fagioli. Per aiutare questo processo, potrei aggiungere opzioni per salvare le impostazioni dell'app come un semplice file di testo che possiamo caricare in seguito o inviare ad altri. Fino ad allora, per favore contattami direttamente a [email protected] con le vostre critiche, suggerimenti e domande.

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Circa l'autore

Il professor Steven Abbott risorse online gratuite di app ed ebook sono un punto di riferimento per chiunque si occupi seriamente della scienza dell'estrazione. La sua straordinaria carriera lo ha portato in giro per il mondo, con concerti che hanno incluso il lavoro con i coltivatori di banane nelle Filippine, aziende di stampa in Colombia e una società di valvole per sacchetti di caffè negli Stati Uniti.

Abbott è un esperto mondiale di scienza dell'essiccazione e diffusione. Ha lavorato per molti anni nel settore dei rivestimenti e della stampa, specializzandosi in nanorivestimenti e nanostrutture. Ora lavora come consulente indipendente e divide il suo tempo tra la scrittura di app gratuite per i formulatori, la consulenza per l'industria e la gestione della sua attività di software tecnico. Gestisce tutto questo pur possedendo una passione per il buon caffè, in particolare il metodo di infusione Ibrik.