专业咖啡烘焙 | 【烘豆机】热的传导方式与烘焙的关系

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• .只要是滚桶式烘焙机，不管是直火、半直火、半热风、热风的加热型式，因为咖啡豆是透过滚桶转动和桶内叶片搅拌，在烘焙桶内腾空、飞越，咖啡豆一定会接触到桶子，也一定会飞在半空中，所以豆子接受的热源一定是传导、对流、辐射都会有， 只是比例上的差别。 为了让讨论简化，我们先忽略辐射热，将焦点放在传导和对流热上。

  只要是滚桶式烘焙机，对豆子的热传递方式一定是复合的，不会只有单一型式，只是比例上的不同而已。 但为了简化思维，我们暂把热风式的烘焙锁定在热风的热传递，非热风式的锁定在烘焙桶对豆子的接触热或称传导热上。 示意图如下：

  

  图1.跟2.是豆子在吸热反应阶段面对接触热和对流热时，外部的热能传递给豆的示意，图3.则是豆子在放热反应阶段，其内部热能向外传递的示意。

  图1.当豆子接触烘焙桶时，烘焙桶的温度高于豆表温度，热能的传递会由温度高的地方往温度低的地方走，因此会由烘焙桶表面->最外层豆子的和烘焙桶的接触面->豆子内部->豆子另一侧的表面- >上一层豆子的接触表面->上一层豆子内部，以此类推，所以说它是outside in的方式是没有疑义的。

  如果烘焙桶因故停止滚动，则最外层的豆子表面会因接触高温的时间过长，豆子组织本身的导热率，无法迅速把短时间大量的高温导走，它就会烧焦。 因此，注重传导热烘焙的机器，就像用平底锅或陶锅烘焙咖啡一样，一定必须维持豆子的持续滚动(不一定要飞落)，例如RF300的螺旋叶片配合每分钟60转的滚桶转速，就不致于让豆子被滚桶表面烫伤，豆子滚得越快，轮动得越快， 也就越容易烘得均匀，相反的话，就会烘焙不均。

  图2是当豆子被烘焙桶的转动与搅拌叶片的拨弄，在烘焙桶内一再地腾空飞跃，这段腾空的时间，它会被烘焙桶内的热空气给包覆，也会被吹入(主动热风式)或吸入(直火、半热风或被动热风式)的热风给包覆，热空气、热风所带来的热会加热豆表 ，然后往豆子内部带进热能，热能就在豆子内部累积以及进行化学反应，直到豆子内部的温度等于或高于豆子外部的温度，或豆表的温度高于热空气的温度，热能才停止进入豆子内部。 因为热风的包覆效果，所以热风比高的烘焙方式会让豆子烘焙的均匀度拉高，也因为包覆的效果和对流效应，热风的烘焙效率比较高。

  我们知道，咖啡烘焙在褐化之前的化学反应是吸热反应，豆子必须由外部吸收足够的热能来进行化学反应，褐化之后，开始逐渐有了放热的化学反应，也就是说所进行的化学反应是会释放热能的，特别是在一爆之后，会有一段比较集中的放热反应， 它所展现出来的效果就是在火力不变的情况下，豆温的RoR突然急升，产生了所谓"Flick"的现象。 图3.就是豆子进行放热反应时热能由内而外释放的示意图。

  有种说法，热风式烘焙会使得咖啡的酸变柔和、body更厚实；但也有，高热风比的烘法会突显咖啡的酸，最低风量的烘法会让咖啡更甜。 倒底那一种说法对？ 不同的基础，不同的机器，不同的豆子，不同的条件，不同的感官判断，这么多的不同如何能武断地说那一种说法对。

  回归到基本原理，烘焙的结果如果好的酸(苹果酸、柠檬酸)没留下，不好的酸(甲酸、乙酸、咖啡酸)产生太多并且去化太少，咖啡就会太酸不好喝，所以必须注意烘焙节奏与发展阶段的温升与发展比率，做到了， 不论用什么型式的烘焙机(手工当然也可以)，不论导热型式是热风还是热传导，应该都可烘出酸甜平衡好喝的咖啡。

  烘焙筒中豆子最重要的热源是?

  「就算俗称为直火机的烘焙机设计亦是以对流热为主要加热咖啡豆的热能来源(其实直火机的设计是比起半热风机更加依赖对流热来升温的)」，答案是「 对流热」，而对豆子的单位面积进行换热的能力，除了两者的温差外，对流热多了一个流速的变因，而且「物体表面附近的流体的流速愈大，其表面对流换热系数也愈大」，掌握了对流热就等于掌握了烘豆过程中最重要的一项武器。

  底下是由知名论坛home-barista.com收集到的观点

  • 烘焙筒筒身的热传导，从来都不会是筒内豆子想要的热源之一，根据已发表的文献，烘豆主要的热源来自于对流及筒身的辐射热，筒子的传导热不但对烘豆没帮助，更会烧焦豆子。
  • 因此，烘焙筒主要的功用是作为自动搅拌装置和热幅射表面。 当每粒豆子接触到筒子的面积比较大(豆量较少的批次)并且风量比较低时，豆子承受较多的辐射热，相反的，当豆子和筒子接触面积小(豆量大的批次)并且筒内风量较大时，豆子承受的辐射热就比较少。
  • 读了几个不同的文件，传统的鼓式烘焙机对流热推估为75％左右。 这当然意味着，豆子被适当搅拌，并且有适合的热气流量以及烘焙筒的尺寸及烘焙的豆量有着适当的比例。
  • 焙烘筒每分钟的最大转速的计算公式为（30 / Pi）*（g / r）^ 1/2。 其中g =重力加速度（约9.81米/秒），r =滚筒的半径（米）。 这是豆子与滚筒保持接触的速度（重力=离心力，豆子会贴在炉壁掉不下来）有一篇Henry G. Schwartzberg的文章 ，里面提到最佳的转速约为最大转速的0.9到0.75之间。
  • 豆子与烘焙筒的接触不是面到面而是点对点，任何长时间的接触均会导致焦烧，而不是传导热能给豆子。
  • 烘焙筒受热后是一种辐射表面，可以经由辐射传递热量给豆子，而传递的速率取决于烘焙筒身温度。
  • 对流热的传导是复杂的，因为烘焙筒中气流的流动速度以及豆子的滚动速度都影响传热速率。 然而，空气量与豆子的比例(air to bean ratio)越高，对流热越多。 因此，同样的风量和热能条件下，比较少的烘焙量会比满载的烘焙量烘焙速度快。

  看完上述论点后，第一个要检视的就是自己烘豆机烘焙筒的半径以及转速，其次是筒内搅拌叶片的数目。 如果依公式算出来，自己的转速未落在极限转速的0.9到0.75区间，而是更慢(通常也是更慢)，只要筒内有搅拌叶片，就不致于让豆子被筒身烧焦，因为公式并未把叶片加速搅拌的变因考虑进去。 例如，半径10公分的烘焙筒，其极限转速每分钟算出来是95转，但原厂设计它每分钟60转，且筒内有3组叶片，原本最佳利用热对流的转速是每分钟85到75转之间，因有了3组叶片，只要每分钟23转以上就可以充分运用热对流了。 在原厂每分钟60转的设计下，如果你还想提高直火的传导及辐射热比例，以烘出复杂的风味，或丰富的层次，用的方法如果不是去改马达转速，而是去动火力及风门，如果刚好达到效果，只能说那是手艺(气)好，不是客观的道理。

  回到破题的直火烘豆机，直火烘豆机的筒身一定有洞，有的很多，有的较少，有的洞大，有的洞小，但很少直火烘豆机的火排会设计一点火，就直接去烧到筒子，甚至是筒子里的咖啡豆，如果有，对使用那机器的烘豆人我只能赞佩， 不在本篇论述的范围。

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  一般直火烘豆机的火苗会与筒身保持一定的距离，让火焰温度最高的外焰(无色, 温度达800度以上)不会直接烧到筒子，造成筒身温度分布不均。 因此火源的外焰直接加热到的就只有空气然后形成热对流，烘焙筒吸收的反而是火源的辐射热，即便如此，烘焙筒因材质导热系数比空气高超多(铁60,不锈钢16,空气依湿度0.024~0.031)，温度通常比热空气高，经常超过300度 ，这样的高温加上高导热系数，若豆子拉长和筒身接触的时间(不用多，以单一叶片每分钟20转，接触时间可长达3秒)，肯定会有焦灼点，幸好大部分的烘豆机转速够快、叶片够多，豆子才不会被筒身灼伤。

  既然火苗直接加热产生热对流，经由烘焙机的风门作动，在烘焙室内产生负压差，把热风导入烘焙室中，对着被转动的烘焙筒及叶片抛在空中的豆子作热移转，同样的温度，风速越大移转越快(对流系数)。 所以，会善用热风的人，真的比别人多一项强力的武器。

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