로스팅 과정에서 열은 전도, 대류 및 복사를 통해 로스터 내 커피 원두로 전달됩니다.

드럼 로스터에서는 열의 70%가 대류에 의해, 30%가 전도에 의해 전달됩니다.

전도(접촉)에 의한 열 전달

생두는 먼저 직접 가열식 드럼 로스터에서 열전도(직접 접촉) 방식으로 가열됩니다. 이 방식은 열을 생두에 직접 전달하며, 즉 생두가 뜨거운 드럼 벽에 접촉할 때 열이 전달됩니다.

드럼 외부는 버너로 가열되며, 드럼 후면의 뜨거운 공기 흡입구를 통해 뜨거운 공기가 생두와 접촉합니다.

커피 로스터의 내부 온도는 로스팅 전 180°C 이상으로 일정 온도 수준에 도달해야 합니다.

원두가 드럼에 투입된 직후, 초기 몇 분간은 열전도(접촉)를 통해 열이 원두로 전달됩니다.

원두 투입 후 내부 온도 수준은 떨어지기 시작합니다. 주요 열 전달은 대류에 의해 이루어집니다.

대류(반사)에 의한 열 전달

뜨거운 커피 원두가 반사로 다른 원두에 자신의 열을 전달하는 것은 대류에 의한 열전달이다.

열원은 열풍 드럼 로스터에서 드럼과 직접 접촉하지 않는다. 별도의 히터에서 생성된 열풍이 원두를 통과하며 가열한다. 로스팅 중 드럼의 표면 온도는 낮다.

열풍 로스터에서는 대부분의 열이 대류에 의해 전달된다.

열전달과 온도

최소한 로스팅 과정의 처음 2/3는 흡열 반응이다. 즉, 원두가 에너지를 흡수하며 열이 원두 외부에서 내부로 이동한다.

온도 변화(∆T)는 열전달 비율을 결정한다. 더 높은 “∆T” 값은 원두 내부의 열 변화를 가속화한다.

“∆T” 값은 로스팅 시작 시 약 50°C이다. 이 값은 일정하게 유지되거나 아주 미세하게 증가한 후, 로스팅 사이클이 진행됨에 따라 감소한다. 즉, 로스팅 초기 몇 분 동안 콩 내부 온도는 외부 온도와 균등해질 때까지 상승한다. 일반적으로 ∆T 값은 빠른 로스팅에서 최고 수준을 보이며, 느린 로스팅에서는 낮다.

콩 내부에서의 열 및 질량 전달

로스팅 과정 중 콩 내부 수분은 겉껍질부터 증발하기 시작하며, 로스팅이 진행됨에 따라 증발이 내부 층으로 확대됩니다.

외부보다 온도가 낮은 콩 내부의 셀룰로오스 매트릭스는 변하지 않은 채 중심부에 수분을 가둡니다. 콩에 갇힌 물은 가열되어 증기로 변하고 팽창하며 내부 압력을 증가시켜 콩이 부풀어 오르도록 합니다.

전문가들의 측정 결과에 따르면 내부 압력이 5.4기압에서 25기압까지 증가하여 콩의 셀룰로오스 매트릭스를 파열시킬 만큼 충분히 높아지면 첫 번째 팝핑이 발생합니다. 압력된 수증기와 이산화탄소 가스가 균열을 통해 빠져나가면서 콩 중심부의 열은 증가합니다.

열 전달과 수분

로스팅 과정에서 드럼 내부와 원두 내부의 수분은 열전달에 영향을 미칩니다.

첫 번째 지연 단계 이후, 드럼 내부의 수분은 열전달 효과를 증가시키고 원두 내부의 수분 손실을 가속화합니다.

그러나 원두 내부 수분은 로스팅 과정에서 더 복잡한 영향을 미칩니다.

높은 수분 함량이 열전달에 미치는 세 가지 근본적인 효과는 다음과 같습니다:

1. 높은 수분은 열전도율을 증가시켜 열전달을 가속화합니다.
2. 높은 수분은 원두의 열 흡수 능력을 증가시켜 가열에 더 많은 에너지가 필요하게 합니다.
3. 높은 수분은 원두로의 열전달을 차단함으로써 원두로부터 증발된 수분의 배출을 증가시킵니다.

수분이 많은 원두는 건조한 원두보다 확실히 더 느리게 가열되므로, 수분이 많은 원두는 더 높은 열에 노출되어야 하며 건조한 원두는 더 낮은 열에 노출되어야 합니다.