Pendant la torréfaction, la chaleur est transférée aux grains de café dans le torréfacteur par conduction, convection et rayonnement.

Dans les torréfacteurs à tambour, 70 % de la chaleur est transférée par convection et 30 % par conduction.

Transfert de chaleur par conduction (contact)

Les grains de café verts sont d’abord chauffés par conduction (contact direct) dans des torréfacteurs à tambour à chauffage direct qui transfèrent la chaleur directement aux grains, c’est-à-dire que la chaleur atteint les grains lorsqu’ils entrent en contact avec les parois chaudes du tambour.

La couche extérieure du tambour est chauffée par un brûleur, tandis que des entrées d’air chaud à l’arrière du tambour permettent à l’air chaud d’entrer en contact avec les grains de café verts.

La température intérieure du torréfacteur doit atteindre un certain niveau, de préférence supérieur à 180 °C, avant la torréfaction.

Immédiatement après le chargement des grains dans le tambour, la chaleur est transférée aux grains par conduction (contact) pendant les premières minutes.

Une fois les grains chargés, la température intérieure commence à baisser. La majeure partie du transfert de chaleur primaire se fait par convection.

Transfert de chaleur par convection (réflexion)

Les grains de café chauds transfèrent leur propre chaleur à d’autres grains par réflexion. Il s’agit d’un transfert de chaleur par convection.

Dans les torréfacteurs à air chaud, la source de chaleur n’est pas en contact direct avec le tambour. L’air chaud est généré dans un appareil de chauffage séparé et chauffe les grains lorsqu’il circule à travers le tambour. La température de surface du tambour est faible pendant la torréfaction.

Dans les torréfacteurs à air chaud, la majeure partie de la chaleur est transférée par convection.

Transfert thermique et température

Au moins les deux premiers tiers du processus de torréfaction sont endothermiques, c’est-à-dire que les grains absorbent de l’énergie et que la chaleur se déplace de l’extérieur vers l’intérieur des grains.

Le changement de température (∆T) détermine le rapport de transfert thermique. Une valeur « ∆T » plus élevée modifie plus rapidement la chaleur à l’intérieur du grain.

La valeur « ∆T » est d’environ 50 °C au début de la torréfaction. Cette valeur reste fixe ou augmente très légèrement, puis diminue au fur et à mesure que le cycle de torréfaction progresse. En d’autres termes, la température interne du grain augmente jusqu’à
ce qu’elle s’égalise à la température externe du grain pendant les premières minutes de la torréfaction. En général, la valeur ∆T est à son niveau maximal lors d’une torréfaction rapide, et plus faible lors d’une torréfaction lente.

Transfert de chaleur et de masse à l’intérieur du grain

Au cours du cycle de torréfaction, l’humidité à l’intérieur du grain commence à s’évaporer de la couche externe, puis l’évaporation s’étend aux couches internes à mesure que la torréfaction progresse.

La matrice cellulosique de l’intérieur du grain, qui est plus froide que l’extérieur, reste inchangée et emprisonne l’humidité au centre. L’eau emprisonnée dans le grain se réchauffe, se transforme en vapeur, se dilate et force le grain à gonfler en augmentant la pression à l’intérieur.

Les résultats des mesures effectuées par des experts indiquent que la pression intérieure, variant de 5,4 atm à 25 atm, augmente suffisamment pour rompre la matrice cellulosique du grain, puis le premier éclatement se produit. La chaleur centrale du grain augmente tandis que la vapeur d’eau sous pression et le gaz CO2 s’échappent par la fissure.

Transfert de chaleur et humidité

Pendant la torréfaction, l’humidité à l’intérieur du tambour ainsi que celle contenue dans les grains affectent le transfert de chaleur.

Après le premier retard, l’humidité à l’intérieur du tambour augmente l’effet du transfert de chaleur et accélère la perte d’humidité à l’intérieur des grains.

Cependant, l’humidité interne des grains a des effets plus complexes pendant la torréfaction.

Les trois effets fondamentaux d’un taux d’humidité élevé sur le transfert de chaleur sont les suivants :

1. Une humidité élevée accélère le transfert de chaleur car elle augmente la conductivité thermique.

2. Une humidité élevée augmente la capacité d’absorption de chaleur des grains, ce qui signifie qu’ils ont besoin de plus d’énergie pour être chauffés.

3. Une humidité élevée entraîne une plus grande évaporation de l’humidité contenue dans les grains en bloquant le transfert de chaleur vers ceux-ci.

Les grains humides doivent être exposés à une chaleur plus élevée, tandis que les grains secs doivent être exposés à une chaleur plus faible, car les grains humides chauffent plus lentement que les grains secs.