Während des Röstvorgangs wird die Wärme durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung auf die Kaffeebohnen im Röster übertragen.

In Trommelröstern werden 70 % der Wärme durch Konvektion und 30 % durch Wärmeleitung übertragen.

Wärmeübertragung durch Wärmeleitung (Berührung)

Grüne Kaffeebohnen werden zunächst durch Wärmeleitung (direkter Kontakt) in Trommelröstern mit direkter Beheizung erhitzt, die die Wärme direkt auf die Bohnen übertragen, d. h. die Wärme erreicht die Bohnen, wenn sie mit den heißen Trommelwänden in Kontakt kommen.

Die Außenhülle der Trommel wird durch einen Brenner erhitzt, während heiße Luft durch Einlässe an der Rückseite der Trommel mit den grünen Kaffeebohnen in Kontakt kommt.

Die Innentemperatur des Kaffeerösters muss vor dem Rösten ein bestimmtes Temperaturniveau erreichen, das vorzugsweise über 180 °C liegt.

Unmittelbar nach dem Einfüllen der Bohnen in die Trommel wird die Wärme in den ersten Minuten durch Wärmeleitung (Berührung) auf die Bohnen übertragen.

Nach dem Einfüllen der Bohnen beginnt die Innentemperatur zu sinken. Der größte Teil der primären Wärmeübertragung erfolgt durch Konvektion.

Wärmeübertragung durch Konvektion (Reflexion)

Heiße Kaffeebohnen, die ihre eigene Wärme durch Reflexion auf andere Bohnen übertragen, sind ein Beispiel für Wärmeübertragung durch Konvektion.

Bei Heißluft-Trommelröstern hat die Wärmequelle keinen direkten Kontakt zur Trommel. Heiße Luft wird in einem separaten Heizgerät erzeugt und erwärmt die Bohnen beim Durchströmen. Die Oberflächentemperatur der Trommel ist während des Röstvorgangs niedrig.

In Heißluftröstern wird der größte Teil der Wärme durch Konvektion übertragen.

Wärmeübertragung und Temperatur

Mindestens die ersten zwei Drittel des Röstvorgangs sind endotherm, d. h., die Bohnen nehmen Energie auf und die Wärme wandert von außen nach innen.

Die Temperaturänderung (∆T) bestimmt das Verhältnis der Wärmeübertragung. Ein höherer „∆T”-Wert verändert die Wärme im Inneren der Bohne schneller.

Der „∆T”-Wert beträgt zu Beginn des Röstvorgangs etwa 50 °C. Dieser Wert bleibt entweder konstant oder steigt sehr leicht an und sinkt dann im Laufe des Röstzyklus wieder ab. Mit anderen Worten: Die Temperatur im Inneren der Bohne steigt an, bis
sie sich in den ersten Minuten des Röstvorgangs der Außentemperatur der Bohne angleicht. Im Allgemeinen ist der ∆T-Wert bei schnellem Rösten am höchsten, während er bei langsamem Rösten niedriger ist.

Wärme- und Stoffübertragung im Inneren der Bohne

Während des Röstvorgangs beginnt die Feuchtigkeit im Inneren der Bohne von der äußeren Schicht zu verdampfen, und die Verdampfung breitet sich im Laufe des Röstvorgangs auf die inneren Schichten aus.

Die Zellulosematrix im Inneren der Bohne, die kühler ist als die Außenseite, bleibt unverändert und hält die Feuchtigkeit im Zentrum zurück. Das in der Bohne eingeschlossene Wasser erwärmt sich, verwandelt sich in Dampf, dehnt sich aus und zwingt die Bohne durch den steigenden Innendruck zum Aufquellen.

Messungen von Experten zeigen, dass der Innendruck, der zwischen 5,4 atm und 25 atm schwankt, so stark ansteigt, dass die Zellulosematrix der Bohne bricht und es zum ersten Aufplatzen kommt. Die Temperatur im Inneren der Bohne steigt an, während unter Druck stehender Wasserdampf und CO2-Gas aus dem Riss entweichen.

Wärmeübertragung und Feuchtigkeit

Während des Röstvorgangs beeinflussen sowohl die Feuchtigkeit im Trommelinneren als auch die Feuchtigkeit in den Bohnen die Wärmeübertragung.

Nach der ersten Verzögerung verstärkt die Feuchtigkeit im Trommelinneren die Wärmeübertragung und beschleunigt den Feuchtigkeitsverlust in den Bohnen.

Die innere Feuchtigkeit der Bohnen hat jedoch während des Röstvorgangs komplexere Auswirkungen.

Drei grundlegende Auswirkungen eines hohen Feuchtigkeitsgehalts auf die Wärmeübertragung sind:

1. Ein hoher Feuchtigkeitsgehalt beschleunigt die Wärmeübertragung, da er die Wärmeleitfähigkeit erhöht.

2. Ein hoher Feuchtigkeitsgehalt erhöht die Wärmeaufnahmekapazität (Absorption) der Bohnen, wodurch diese mehr Energie zum Erhitzen benötigen.

3. Ein hoher Feuchtigkeitsgehalt sorgt für eine stärkere Verdunstung von Feuchtigkeit aus den Bohnen, da er die Wärmeübertragung in die Bohnen blockiert.

Feuchte Bohnen sollten einer höheren Hitze ausgesetzt werden als trockene Bohnen, da feuchte Bohnen langsamer erhitzt werden als trockene.