Профессор Стивен Эбботт

Если вы обжариваете кофе, вы можете поиграть с виртуальной машиной для обжаривания, чтобы посмотреть, что происходит. Вы можете создать свою идеальную обжарку или сделать «сбои», «взмахи смерти» и даже поджечь бобы. И вы также можете углубить свое понимание того, что происходит в вашей собственной машине. Приложение бесплатное и не содержит рекламы. Только иди сюда и наслаждайтесь игрой с ним. Каждый раз, когда вы закрываете приложение, оно запоминает ваши предыдущие настройки. Если они привели вас в дикое место (или вы потерялись во время игры с приложением), нажмите «Восстановить настройки по умолчанию», чтобы вернуться к настройкам, показанным на снимке экрана.

В этом уроке профессор Эбботт расскажет нам, как использовать свое новое приложение для обжарки кофе.

Почему приложение для обжарки?

Это началось случайно. Команда Barista Hustle задала мне несколько вопросов о сбоях и щелчках при обжарке кофе, и когда я начал об этом думать, я понял, что мне нужно распутать множество эффектов. Это было сделано не только для моей выгоды, но и потому, что существует много дебатов и мнений о том, что происходит, и многие идеи были довольно расплывчатыми. Самое замечательное в написании приложения заключается в том, что вы не можете махать руками. Вы должны следовать физике, насколько это возможно, и смотреть, что происходит.

Текущая версия является результатом множества фальстартов и переписываний благодаря критике команды BH. Они могут взять на себя ответственность за множество хороших вещей в приложении; вся вина за плохие вещи лежит на мне.

Чтобы получить представление о приложении, давайте сначала проделаем физический трюк и решим более простую задачу. Это позволяет нам понять основные эффекты, чтобы мы могли представить реальные проблемы.

Основные процессы

Давайте представим несколько фиктивных бобов, которые имеют похожую форму, размер, плотность, теплоемкость как настоящие бобы, но не теряют влаги при нагревании, не трескаются и не подгорают. Физика того, что происходит, когда их впервые добавляют в горячую жаровню, проста. Горячий воздух в барабане будет охлаждаться, сам барабан будет охлаждаться, и температура зерен начнет повышаться. Когда мы переворачиваем бобы в барабане, горячий воздух на входе будет отдавать тепло за счет конвекции и выходить более холодным на выходе, барабан будет передавать тепло за счет теплопроводности, и по обеим причинам температура зерен будет повышаться. Скорость нарастания, ROR, сначала будет большой, потому что она зависит от больших значений ΔT («дельта-T»), разницы температур воздуха и зерен в барабане. По мере того, как зерна нагреваются, ΔT уменьшается, ROR уменьшается… до тех пор, пока зерна не достигнут равновесие значение и ΔT = 0. Обратите внимание, что в интересующем нас временном масштабе нет значительного температурного градиента снаружи внутрь каждого боба.

В дополнение к эффектам ΔT ROR зависит от площади контакта зерен с барабаном (чем выше, тем более кондуктивный перенос) и от обтекания зерен воздухом – чем быстрее поток, тем выше теплопередача. коэффициент.

Площадь контакта зерен с барабаном не сильно изменится вплоть до скорости вращения барабана, при которой зерна летят во все стороны. Вместо этого, до определенного момента, скорость барабана помогает рандомизировать контакты зерен с барабанами, уменьшая шансы того, что какое-либо конкретное зерно слишком долго задерживается в контакте. Придавая скорость летящим шарикам, барабан работает вместе с воздушным потоком, увеличивая коэффициент теплопередачи от горячего воздуха. Если барабан вращается слишком быстро, центробежные силы прижимают зерна к стенке. Если поток воздуха слишком большой, то всасывается слишком много холодного воздуха. В обоих случаях ROR за счет конвекции снижается.

Есть еще одна ключевая особенность. Горячий воздух поступает с одного конца барабана и выходит более холодным по направлению к выпускному отверстию. Это означает, что зерна испытывают различные значения ΔT вдоль барабана, поэтому ключевым аспектом конструкции барабана является механизм циркуляции зерен по длине барабана. В идеальном мире у нас были бы датчики температуры в первой, средней и третьей четверти длины барабана, чтобы лучше знать, что происходит. На данный момент мы будем исходить из предположения, что один зонд предоставляет достаточно информации для надежного обжаривания.

Что мы измеряем?

Если мы знаем температуру нашего барабана, DT, температуру на входе, IT, температуру зерен, BT и температуру выхлопа, ET, и если мы продолжим работу с нашими фиктивными зернами, то не так уж сложно протестировать и проверить модель базовой тепловой нагрузки. процессы. Действительно, самое сложное в этом деле — найти мешок подходящих фиктивных бобов. Как только мы подтвердим нашу модель, мы можем начать обжаривать настоящие бобы. Различия, которые мы обнаружим, будут связаны с интересными частями процесса обжига: потерей воды и событиями вокруг первой (и второй) трещины — теми вещами, которые вызвали вопросы о сбоях и щелчках.

Проблема в том, что большинство систем обжарки предоставляют нам только косвенные измерения. В таких случаях хитрость заключается в том, чтобы сделать все возможное с любой имеющейся у вас информацией и настаивать на том, что может дать вам более качественную информацию за разумные дополнительные усилия.

В отличие от приложения, которое имеет 4 кривых, большинство графиков обжарки имеют 3: ET, BT и ROR. Давайте посмотрим, почему я имел добавить 4th кривая, ит. 

ET часто называют температурой окружающей среды (или выхлопа), и те, кто называет ее температурой окружающей среды, могут подумать, что это указывает на среду, в которой обжариваются зерна. Это не может быть правдой. Значения ET часто на удивление мало реагируют на такие вещи, как настройки горелки, и, что наиболее сбивает с толку, иногда читаются ниже, чем BT. Это означает, что ET не может управлять процессом обжарки, потому что более высокое значение BT будет означать отрицательное ΔT, что приведет к охлаждению зерен. Вместо этого, поскольку это больше похоже на температуру выхлопных газов (зонд ET часто находится в выхлопном канале), он отражает то, что имеет произошло по барабану, это старые новости. Так что, если, например, вы увеличиваете мощность горелки, но все это дополнительное тепло поглощается зернами, ET останется неизменной. Точно так же тепло в зернах будет поддерживать относительно постоянное значение ET, если вы уменьшите настройку горелки. Тот факт, что ET может быть ниже BT на некоторых кривых обжарки, больше связан с тем, где находится датчик ET (и насколько сильно происходит охлаждение отработанного воздуха), чем с процессом обжарки.

Термин BT также вводит в заблуждение. Он начинается с высокого уровня (обычно аналогично ET), когда зерен нет, затем опускается до низкого уровня, прежде чем достигнет точки поворота, которая является ключевым индикатором, используемым обжарщиками. Этот термин вводит в заблуждение, потому что сами бобы начинаются при температуре окружающей среды и неуклонно повышаются при температуре. Сами бобы никогда не испытывают «терна», как они могли? Таким образом, BT на самом деле является температурой Bean-Probe, которая представляет собой смесь местной температуры воздуха, температуры бобов и прошлой истории.

ROR — это скорость повышения температуры зонда бобов. Позже в обжарке это ближе к ROR зерен, но мы всегда должны помнить, что значения, которые мы видим, представляют собой смесь эффектов.

Для завершения наших измерений нам, очевидно, нужна температура барабана, DT и температура на входе IT. К моему удивлению, DT неизвестен для большинства машин. Учитывая, что это не может быть что трудно измерить температуру большого куска металла, я нахожу удивительным, что это не является обычной частью всех хороших установок для обжига. Если бы у меня была машина, я бы, конечно, приложил некоторые усилия, чтобы получить осмысленный вывод DT. Но для остальной части этой статьи я просто должен предположить, что это неизвестно, и приложение на данный момент не пытается включить кондуктивную передачу тепла от барабана.

У меня сложилось впечатление, что ЭТО является доступен на многих машинах, но редко используется — я видел его на очень немногих таблицах обжарки. Это кажется прискорбным, потому что именно ИТ управляет процессом обжарки и реагирует как на настройки горелки, так и на параметры воздушного потока, поэтому дает нам ценные прямые данные. Мне сказали, что это ненадежное, даже бессмысленное измерение, потому что оно сильно зависит от того, где он находится во входном отверстии - значения могут измениться на многие десятки градусов, просто немного подняв или опустив его. Если бы я был обжарщиком, я бы сделал все возможное, чтобы получить стабильное и значимое измерение ИТ и использовать его в качестве ключевого фактора для управления процессом обжарки.

В сложившихся обстоятельствах у меня нет иного выбора, кроме как предоставить идеализированные ИТ-входные данные для приложения и использовать их для основных расчетов по BT. Моя реализация ИТ ограничена тем фактом, что результаты BT и ET должны давать хорошее соответствие кривым, обычно встречающимся там. Потому что мой инопланетянин следует процесс, а не диски это, сосредоточив внимание на ИТ, цепочка причин и следствий должна быть более ясной. 

К тому времени, когда вы будете это читать, приложение может выглядеть по-другому, но общее представление вы получите. Пользователь может указать вес зерен, влажность, начальную температуру, максимальную мощность горелки и различные дополнительные параметры, такие как относительная скорость вращения барабана/воздуха (настройка 3 является оптимальной) и скорость отклика системы (3 является номинальной). Прежде чем опробовать приложение и слайдеры, запомните главное правило: у вас есть Сила.

У тебя есть власть

Во время обжарки мощность (пламя, горелка…) регулируется, обычно постепенно уменьшаясь по мере обжаривания. Немного сложно указать это в приложении, и я выбрал наименее плохой способ. Вы вводите набор значений T и P%, т. е. мощность %, которая будет установлена, когда обжарка достигнет температуры T. Чтобы установить начальную %, вы начинаете, скажем, с 0,90 (чтобы использовать 90% максимальной мощности вашей горелки), затем следуете например, 145,80 160,70 170,60 180,40 190,20, чтобы установить мощность 80% при 145°C, 70% при 160°C и т. д. Правило заключается в предоставлении пар, разделенных запятыми, с пробелом между ними, а значения T возрастают слева направо, но приложение может исправить многие неточные записи.

Приятно то, что вы можете вводить в поле T,Power% до тех пор, пока не получите то, что хотите, а затем нажимаете ввод/возврат, чтобы выполнить расчет. Это делает ввод настроек менее напряженным. Если вам не нравится 60% при 170°C, просто измените его на 55 и нажмите «Ввод», чтобы посмотреть, станут ли результаты лучше.

Некоторые из вас также хотели бы изменить скорость вращения барабана или поток воздуха во время обжарки. хотя я мог добавить эту функцию, это делает приложение еще более сложным. И моя научная интуиция подсказывает, что изменение нескольких переменных во время прогона — неоптимальная стратегия, если вы действительно не знаете, какие факторы влияют на какие другие факторы.

Глядя на результаты

На верхнем графике показаны IT, ET и BT, а также скорость роста BT, ROR. Обратите внимание, что, как и во всех моих приложениях, я отказываюсь использовать единицы измерения США. На нижнем графике показана мощность (для визуальной проверки ваших входов T,Power% и времени изменения мощности), вес бобов и содержание воды. 

Настройки по умолчанию делают разумную работу по созданию набора кривых, которые распознаются большинством обжарщиков, хотя кривая ИТ, которая управляет приложением, обычно не записывается. В начале вы видите, что ET падает (скромно) и BT падает (сильно), и вы видите поворотную точку, которая выводится как t.Повернуть. Помните, что это фиктивное чтение, поскольку бобы не показывают точки поворота — это просто полезный отпечаток пальца для настройки вашей машины. По мере того, как процесс обжарки продолжается, настройки мощности уменьшаются, при этом значение IT на верхнем графике соответственно уменьшается, а отклик практически мгновенный. Хотя сокращение ИТ важно, оно относительно скромное. Основной эффект исходит от количества доступного тепла, которое является ключевой частью расчета — температура и тепло имеют сложную взаимосвязь. ROR показывает довольно устойчивое падение, затем есть всплеск на первая трещина (с тФК отображается в выходных данных), что является научно обоснованным (внезапное охлаждение по мере испарения воды). Темно-красная и светло-синяя кривые на нижнем графике показывают постоянную потерю общей массы и воды с внезапными потерями при первая трещина.

Обратите внимание, что измеряемые нами значения Т часто отстают от реальности на много секунд. Это связано с тем, что измерения зашумлены, поэтому мы используем время «интеграции» для усреднения шума. Отн. Фактор отклика в приложении позволяет увидеть, что произойдет с графиками, если ответ будет медленнее или быстрее.

Также обратите внимание, что на данный момент приложение не имеет опции «замачивания». В настоящее время у меня недостаточно информации, чтобы знать, как это реализовать.

В этой версии приложения события в первая трещина моя лучшая попытка показать, что может пойти хорошо… и что может пойти не так. План состоит в том, чтобы усовершенствовать код, как только мы узнаем больше. С некоторыми настройками вы можете обнаружить скачок температуры через некоторое время после первая трещина. Это не вспышка смерти, это горят твои сухие бобы. 

Калибровка системы

Весь смысл приложения в том, чтобы исследовать, как ROR зависит от постепенного потере влаги, и различные события вокруг первая трещина и т. д. и как наши изменения в настройках жаровни могут повлиять на эти эффекты. Но сначала нам нужно знать, что приложение может прилично моделировать общие Т-эффекты, что, в свою очередь, означает, что нам нужно больше данных, которые достоверно показывают, что происходит.

Как мы можем узнать, нормально ли работает приложение? Путем обжаривания фиктивных бобов. 

Возвращаясь к началу этой статьи, представьте, что у нас есть несколько килограммов гранул, похожих на фасоль, которые термически стабильны, прочны (так что не ломаются и не оставляют следов), не имеют запаха и имеют примерно те же термические свойства, что и зеленая фасоль (мы может математически скорректировать любые различия в теплоемкость и плотность). Теперь мы их «жарим». Поскольку они не делают ничего сложного, например, не выделяют воду или не трескаются под внутренним давлением, мы видим чисто тепловое поведение нашей системы. Это позволяет нам лучше понять, что происходит, когда мы настраиваем параметры обжарки (мы можем сходить с ума, не беспокоясь о том, что драгоценные кофейные зерна будут потрачены впустую или сожжены). Как только мы поймем основы, мы сможем запускать эти калибровочные бобы, используя наш стандартный протокол реальной обжарки, а затем запускать некоторые настоящие бобы по тому же протоколу. Различия между ними будут из-за потери воды, трещин и химических реакций, всего интересного и важного. Это позволит обжарщикам лучше понять тонкости их обжарки и поможет решить такие вопросы, как происхождение щелчка смерти.

Я с нетерпением жду этого. 

Споры

Один из ключевых споров касается охлаждающего эффекта воды, которая медленно вытекает из зерен перед первая трещина. Я считаю, что влияние на ROR невелико, просто влияние «энтальпии испарения» воды. Другие считают, что вытекающая вода каким-то образом защищает зерна от горячего воздуха, значительно снижая коэффициент теплопередачи и, следовательно, ROR. Это своего рода сложные проблемы, которые мы сможем решить, когда у нас будут хорошие сравнительные данные.

Другая дискуссия касается того, какая часть щелчка вызвана химическими реакциями, а какая - большим ΔT, вызванным охлаждающим эффектом быстро испаряющейся воды? Опять же, с большей уверенностью в основах модели мы могли бы распутать эти эффекты.

И там есть факты и фактоиды. Например, если правда, что мытый кофе портится больше, чем натуральный, то в чем может быть основная причина? Трескаются ли более твердые бобы сильнее, и если да, то происходит ли более сильный треск и более сильный щелчок? Если процесс обжаривания слишком однородный и первая трещина это супер жестоко, так как бобы взрываются за один раз, авария и щелчок хуже?

Я надеюсь, что подход, основанный на приложениях, поможет нам решить эти проблемы как сообществу.

Работа в процессе

Приложение и эта статья — только начало пути. Те читатели, которые неплохо разбираются в JavaScript, могут нажать кнопку ShowCode и посмотреть, что стоит за вычислениями (они также могут взять код и использовать его по своему усмотрению — мой сайт с открытым исходным кодом, Creative Commons). Существует множество фальшивых факторов, позволяющих создать правдоподобную симуляцию. Если бы у нас были мешки с фиктивными бобами для обжаривания в совершенно разных условиях, мы могли бы уточнить эти факторы помадки, готовые решать более сложные проблемы с настоящими бобами. Чтобы помочь этому процессу, я мог бы добавить параметры для сохранения настроек приложения в виде простого текстового файла, который мы можем загрузить позже или отправить другим. До тех пор, пожалуйста, свяжитесь со мной напрямую по адресу [email protected] с вашей критикой, предложениями и вопросами.

______________________________________

об авторе

Профессора Стивена Эбботта бесплатные онлайн-ресурсы приложений и электронных книг - это полезный инструмент для всех, кто серьезно относится к науке об извлечении. За его выдающуюся карьеру он путешествовал по всему миру, включая работу с производителями бананов на Филиппинах, полиграфическими компаниями в Колумбии и компанией по производству клапанов для кофейных пакетов в США.

Abbott - мировой эксперт в области науки о сушке и распространение. Он много лет работал в лакокрасочной и полиграфической промышленности, специализируясь на нанопокрытиях и наноструктурах. Сейчас он работает независимым консультантом и делит свое время между написанием бесплатных приложений для разработчиков формул, консультированием для промышленности и управлением своим бизнесом в области технического программного обеспечения. Он управляет всем этим, обладая страстью к хорошему кофе - в частности, к методу заваривания Ибрик.