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咖啡机的压力和流速
发布时间:2019年08月06日 15:52:47  来源: 云南网
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  原标题:roast世界咖啡新闻 |其他|咖啡机的压力和流速

  编者注

  咖啡机的压力和流速是咖啡机基本知识系列文章中的一篇,编译过程中roast杂志得到资深工程师史良老师的技术支持。让爱好者对咖啡机的基本知识多一些深入了解是本文的目的,roast杂志会和工程师们合作陆续推出系列技术文章。

  “ 这是从机械原理角度剖析咖啡制作的启发性好文章。”--史良

  正文

  咖啡机的压力和流速

  Pressure and Flow

  by Michael Teahan

  理解咖啡机的压力即复杂又很简单。目前我们有几个萃取浓缩咖啡的基准,这些基准都是多年的经验证明的。归根结底,流入杯中的流速(flow rate )决定了一杯意式浓缩咖啡的质量。

  几十年前,我曾反对在比赛中用秒表来评判选手萃取咖啡的品质(如果一个评委不能通过味觉感官分辨好坏,秒表基本上没有用),但人们总是痴迷于用数字来衡量一切。这篇文章不是关于数字数据,而是有关于咖啡机管路,温度对(冲泡头)压力的影响。

  最近有一些人对采取调节流速的方法萃取浓缩咖啡产生了兴趣。这其中的核心问题是,调节流速是否可以产生(变压萃取)同样的效果。我的经验表明,相比流速,压力对浓缩萃取是更重要的因素,因为萃取咖啡时需要压力来穿透咖啡的细胞壁。不同的流速也会影响冲泡头中的压力,流速也是萃取曲线中有价值的变量。

  基本概念

  压力的存在需要两件事:一件是泵推动水流动,另一件是阻力。水泵驱动水的功率以及系统中的所有局部阻力决定了咖啡机压力的大小——没有阻力,没有压力。形

  浓缩咖啡机可以通过几种方式控制压力。通过调节管路阻力特征(旁路管道,调节阀门,限流孔板等)基于上述设备部件产生的阻力将系统水压调整到一个固定的值——大多数情况下9 Bar,所有其他的数值都是从这个设定值计算出来的。调节泵出口处调节阀,使得阀后压力的波动与弹簧力相平衡,从而使阀后压力在一定的范围内保持恒定。(注:给泵提供扭矩动力的电机功率要足够大能够满足使用需求)

  控制压力第二种方式来自冲煮头限流阀。限流阀在提供足够的水压的同时限制了有压水源的单位时间内的水的流量,从而使咖啡机多组冲泡头在使用中压力维持9bar。如果没有限流阀,仅仅冲洗一个冲泡头就足以降低整个系统压力,使其他冲煮头无法有效萃取浓缩咖啡。(阻力也可以来自冲泡头中的管路,腔室,扩散板)。

  在把手柄放进咖啡机的冲泡头之前,冲泡头的限流阀(限流孔大小不同)是影响萃取流量的关键。( 同泵压条件下,限流阀孔径越小流量越小;同限流阀孔径,泵压越小流量越小)

  水的密度在稳定温度下是非常一致,如果可以测量已知限流阀两侧的压力差,就可以预测通过限流板小孔水分子的流速,继而精确地计算流量。(注:这是大部分电控咖啡机的流量计计量原理)

  (限流孔板的工作原理是“ 孔板可以作为流量测量元件用来测量流量,也可以用来限定流量和降低压力。当孔板前后存在一定压差,流体流经孔板,对于一定的孔径,流经孔板的流量随着压差增大而增大。但当压差超过某一数值(称为临界压差)时,无论压差如何增加,流体在临界压差条件下经过孔板的流速是一定的。流速限定了,则通过孔板的流量就会固定下来。只要孔板上游的压力保持一定,则通过孔板的流量维持在一定数值而不再增加。)

  (注:萃取一杯意式所需要的水压很大(9bar-9.5bar)单位时间内所需要的水流并不大(24秒左右萃取30-45毫升),所以限流孔的主要意义在于给每个冲泡头提供足够水压的水流的同时保证系统的水压足够稳定,不会因为大量的失去水流导致系统的水压整体压力的下降和不稳定,(极端的例子,孔径太小使得内外压差过大且无法瞬间弥补从而破坏制作咖啡的压力积累。孔径太大流速过快会影响到制取咖啡的水源置换器的水温不稳定破坏咖啡的口感)

  在浓缩咖啡机系统中,减小泵后管道直径可以限制流量但通常不足以将系统压力维持在9 bar。同一系统中的额外局部阻力会逐渐减少流量并产生压降,所以系统的流量测量需要考虑各支管阻力(多限流板孔径及位置顺序)。

  在任何影响流量的因素主要发生在下游(泵之后)。在实际的萃取过程中影响流量的一个最重要的变量就是咖啡粉饼本身所形成的阻力。

  限流孔板和萃取

  限流板孔径效应对萃取的影响会因咖啡粉饼的条件而异。从(限流)板孔射出并在周围液体中混合扩散的流体被称为射流(jet flow),射流不仅造成流量减少而且在板孔后形成低压环境,最终进入咖啡机的冲泡头。粉饼(使用压粉器/锤压粉)形成的阻力使冲煮头中压力逐渐增加,在萃取咖啡之前均匀地浸湿粉饼。

  在萃取咖啡的过程中冲泡头内的压力随着咖啡粉饼开始充水而增加直至达到额定的9bar。由于水通过粉饼的流量比上游流量小,对系统压力的影响接近于零,所以咖啡粉饼的状况成为决定冲泡室中压力多少的唯一因素。

  如果咖啡研磨的太粗或粉量太少,再多的泵压也不会导致在冲泡头中产生足够的萃取压力。研磨度过粗会导致低质量的浓缩咖啡,这不仅仅是因为萃取时间短,也是因为萃取压力不足。反之咖啡研磨的太细或粉量太多,萃取压力会增加,萃取时间延长,萃取率增大,咖啡就会变得又苦又酸。

  压力曲线

  有了稳定的泵压,限流阀可以用来调整冲泡头的压力曲线。这是一种单向调整,即在萃取过程中不能降低冲煮头的流量或压力,但是限流阀在调节预浸泡方面很有价值,它通过缓慢地增加压力使咖啡粉饼完全饱和。如果我们想要像拉杆机那样降低萃取后段的压力,限流阀达不到这样的效果。

  渗透咖啡粉饼和萃取都需要压力。萃取需要有个合理的程度,我们不想把咖啡中所有的物质都萃取出来,调整萃取压力可以使我们在萃取的不同阶段从咖啡中提取的物质,浓缩咖啡风味也会随之发生巨大的变化。

  这就是控制萃取速率发挥作用的地方。冲煮头(萃取过程中)流量的改变会影响萃取压力,压力与流量之间存在着紧密的关系。可以通过很多方法做到这一点,包括给每组冲煮头配一个齿轮传动变速泵,伺服驱动活塞,甚至是泵和冲煮头之间的可变比例调节阀。

  管路串联与并联

  到目前为止,一切都在讲简单的单一管路中的压力和流量。然而,从工程师的角度来看,多组冲泡头的意式咖啡机还有其他的挑战。马达和泵必须按照咖啡机预期用途来设计,在一个忙碌咖啡店的三组冲泡头咖啡机上安装一个100升/小时的泵,意味着当所有冲煮头都在使用状态下,咖啡机将难以保持足够的压力。在仪表上可以观察到明显的压降。一个提供大流量的泵需要更多的功率来运转,即使只有一组冲煮头在运转的时候,它也要在系统中移动大量的水。

  仅仅靠电机马达无法更快速的满足咖啡制作需求,并联管路设计可以有效地提高流量。每台咖啡机都不同,但是如果一个技术人员给咖啡机换上一台低流量的泵,即使在并联管路设计中也会成为问题。

  热压效应

  当我们使用测压手柄设置冲煮头膨胀阀时,手柄压力比咖啡机压力表上显示的压力高1bar。

  热不仅仅产生蒸汽它还能使水膨胀。热交换器产生的热量增加了泵和冲泡头之间以及两个方向的压力。现在所有咖啡机在泵前都安装止回阀,因此与热相关的压力唯一出口就是手柄。

  这就是为什么当我们调试膨胀阀时,(关闭加热元件)使用无底把手柄将膨胀阀做调整排压。这是咖啡机最高热量和压力,膨胀阀需要在不影响正常冲煮压力的情况及时排除多余的压力。没有膨胀阀,热交换器有爆裂可能。

  总结

  浓缩咖啡机工作的最终目的是一致性,一次又一次地向每一组冲泡头提供一致的温度、压力和流量,没有任何不可预见的波动。

  整个咖啡制作过程中唯一的变量不应该是咖啡机,而是旁边的研磨机。

  咖啡机中最后一个,真正唯一有价值的流量限制是咖啡粉饼。咖啡粉饼之后的压力接近于零。如果通过粉饼的流量过大,上游限流阀就会起作用,从而降低冲煮头的压力。这就是为什么在下面的图中,咖啡粉饼的阻力是V(变量)。确保一致的粉量,颗粒大小和分布对于浓缩咖啡质量是唯一最重要的因素。(Roast杂志 供稿)

责任编辑:毛雪勰
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