Во время обжаривания тепло передается кофейным зернам в обжарочной машине посредством теплопроводности, конвекции и излучения.

В барабанных обжарочных машинах 70 % тепла передается посредством конвекции и 30 % — посредством теплопроводности.

Передача тепла путем теплопроводности (контакт)

Зеленые кофейные зерна сначала нагреваются путем теплопроводности (прямой контакт) в барабанных обжарочных машинах с прямым нагревом, которые передают тепло непосредственно зернам, т. е. тепло достигает зерен при их контакте с горячими стенками барабана.

Внешний слой барабана нагревается горелкой, а входы для горячего воздуха в задней части барабана позволяют горячему воздуху контактировать с зелеными кофейными зернами.

Внутренняя температура кофейной обжарочной машины должна достигать определенного уровня, предпочтительно выше 180 °C, перед обжаркой.

Сразу после загрузки зерен в барабан тепло передается зернам посредством теплопроводности (контакта) в течение первых минут.

После загрузки зерен внутренняя температура начинает снижаться. Большая часть первичной теплопередачи происходит посредством конвекции.

Передача тепла конвекцией (отражением)

Горячие кофейные зерна передают свое тепло другим зернам посредством отражения — это и есть передача тепла конвекцией.

В жаровнях с горячим воздухом источник тепла не имеет прямого контакта с барабаном. Горячий воздух генерируется в отдельном нагревателе и нагревает зерна при прохождении через них. Поверхностная температура барабана во время обжарки низкая.

В жаровнях с горячим воздухом большая часть тепла передается конвекцией.

Теплопередача и температура

По крайней мере, первые 2/3 процесса обжаривания являются эндотермическими, т. е. зерна поглощают энергию, и тепло перемещается извне внутрь зерен.

Изменение температуры (∆T) определяет соотношение теплопередачи. Более высокое значение «∆T» быстрее изменяет тепло внутри зерна.

Значение «∆T» составляет примерно 50 °C в начале обжарки. Это значение либо остается неизменным, либо увеличивается очень незначительно, а затем уменьшается по мере продвижения цикла обжарки. Другими словами, температура внутри зерна увеличивается до тех пор, пока
не уравняется с температурой снаружи зерна в течение первых нескольких минут обжарки. Как правило, значение ∆T достигает максимального уровня при быстрой обжарке, а при медленной обжарке оно ниже.

Тепло- и массоперенос внутри зерна

Во время цикла обжаривания влага внутри зерна начинает испаряться с внешнего слоя, и по мере продолжения обжаривания испарение распространяется на внутренние слои.

Целлюлозная матрица внутренней части зерна, которая более холодная, чем внешняя, остается неизменной и удерживает влагу в центре. Вода, удерживаемая в зерне, нагревается, превращается в пар, расширяется и заставляет зерно набухать, увеличивая давление внутри.

Результаты измерений экспертов показывают, что внутреннее давление, колеблющееся от 5,4 атм до 25 атм, увеличивается настолько, что разрывает целлюлозную матрицу зерна, и тогда происходит первый хлопок. Центральная температура зерна увеличивается, а под давлением водяной пар и газ CO2 выходят из трещины.

Перенос тепла и влаги

Во время обжаривания влага внутри барабана, а также внутри зерен влияет на теплопередачу.

После первой задержки влага внутри барабана усиливает эффект теплопередачи и ускоряет потерю влаги внутри зерен.

Однако внутренняя влага зерен оказывает более сложное влияние во время обжаривания.

Три основных эффекта высокого уровня влажности на теплопередачу:

1. Высокая влажность ускоряет теплопередачу, поскольку увеличивает теплопроводность.

2. Высокая влажность увеличивает теплопоглощающую способность зерен, в результате чего для их нагрева требуется больше энергии.

3. Высокая влажность способствует большему выделению испаренной влаги из зерен, блокируя теплопередачу в зерна.

Влажные зерна должны подвергаться более высокому нагреву, а сухие — более низкому, поскольку влажные зерна нагреваются медленнее, чем сухие.