專業知識,慎點!意式濃縮咖啡機的壓力和流速

 

想要理解濃縮咖啡機的壓力,其實在許多方面都很簡單。有一些標準是根據多年的經驗證明的,而且我們相當擅長使用大多數咖啡機進行足夠的萃取。但是,一杯濃縮咖啡的質量,總是以流入杯中的流速來決定的。

幾十年前,我曾反對用秒錶來評判咖啡師的比賽(如果一個評委不能通過味蕾分辨出好壞,秒錶是沒有用的),但人們總是癡迷於用數字來衡量一切。

對壓力和萃取的研究確實讓我對這種批評有所反思,這篇文章不是關於什麼數值是最好的,而是噴射水流、管道系統和溫度對壓力的影響,以及最終在手柄中發生了什麼。

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最近有一些人對使用可變流量而非壓力對咖啡萃取的控制產生了興趣,但不清楚這是否只是使用了不同的機械裝置來達到同樣的效果。問題的核心是,流入杯子的速度是否可以說明萃取質量,還是主動調截流量也能產生同樣的效果。

我們對膠囊咖啡和加壓手柄的經驗表明,壓力是更重要的因素,因為壓力需要穿透咖啡的細胞壁。但是不同的流量會影響沖泡頭的壓力,所以這是一種很有價值的分析工具,有助於理解導致變量的因素。

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基本原理

壓力的存在需要兩件事: 一件是產生水(泵)運動的東西,另一件是下游阻止水運動的東西。水泵驅動水的能力,以及它所遇到的阻力,決定了系統中壓力的大小——沒有阻力,沒有壓力。

例如,液體經過最後一次截流後的壓力總是零。形成壓力的必要條件是截流本身,這意味著如果泵的出口是敞開的,它就不會產生任何壓力。事實上,旁路的確是完全關閉的。

濃縮咖啡機可以通過幾種方式控制壓力,泵的簡單平衡旁路將水壓調節到一個固定的值——在大多數情況下,只要進水壓力不超過這個值,也就是9個帕的大氣壓(以下簡稱9帕)——並且是一個標準化的設定值,所有其他的數值都是從這個設定值計算出來的。這就像為所有團隊建立一個公平的競爭環境,以產生一致的結果。

不論流速是多少,泵的壓力調節使用彈簧在緊張下不斷調整,以保持穩定的壓力。然而,它確實要求泵和電機的容量能夠滿足需求。

控制壓力所需的第二種裝置是水流噴射器,除了一個單獨的目的(詳細說明如下),噴嘴了提供足夠的阻力,使泵在多頭機器上始終維持9帕的壓力。如果沒有噴嘴作用,僅僅清洗第二組衝煮頭或一個不受控制的鍋爐,就足以降低系統壓力,使其他組衝煮頭無法正確地萃取濃縮咖啡。

額外的阻力可以是一個更小的管道、通道和擴散板組、流量計、甚至電磁閥孔,雖然不是所有的機器都有它們。在你把手柄放進機器萃取之前,噴嘴是調節壓力和流速的關鍵。

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物理

水不會被壓縮太多,它的粘度和密度在穩定的溫度下是非常一致的,這意味著可以通過小孔的水分子流動是可預測的。如果可以測量已知孔板兩側的壓力,就可以精確地計算出流量。

在一台濃縮咖啡機裡,泵之後的一切在某種程度上都是阻力。泵後管道直徑的減小限制了流量,但通常不足以將泵的壓力提高到9帕。同一電路中的附加截流會逐漸減少流量,並在每次截流後產生壓降,但這些值是不能相加的。

綜合起來,它們都會影響系統的流量,但公式沒有考慮混合孔的大小順序。這是一個灰色區域,用於測量兩個的孔之間更大的孔的影響。

解決這一難題的辦法需要重新審視壓力計算,如果截流兩邊的壓差為零,即使有流動,阻力也沒有作用。任何影響系統流速的因素都發生在下游,事實上,在實際的萃取過程中,影響流速最重要的變量就是咖啡粉餅本身的截流。

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截流和萃取

注孔的下游效應對咖啡機的功能至關重要,但對萃取的影響卻因咖啡粉餅的條件而異。由於注孔後每個腔內的壓力下降,噴射不僅造成流量減少,而且在每個注孔到最終進入咖啡機上方的衝煮頭之間形成低壓環境。

多點之間的截流波動像一個減震器,截流也迫使衝煮頭的壓力逐漸增加,以便在開始萃取之前,水均勻地浸透咖啡粉床。

壓力隨著咖啡粉餅開始浸濕而增加,因為阻力增加,由於水通過粉餅的流量比上游截流器的累積流量小,所以對壓力的影響接近於零。

由於最後一個截流器後的壓力始終為零,而且從水泵到電路的所有東西都是穩定的,所以咖啡粉餅成為決定衝煮倉內壓力的唯一因素。

這意味著,如果咖啡太粗或粉量太少,再多的泵壓也不會導致在衝煮倉內產生足夠的萃取壓力。粗咖啡會導致低質量的濃縮咖啡,這不僅僅是因為萃取時間短,而且因為萃取壓力差。

如果咖啡粉太細或粉量太多,咖啡的沖泡壓力會有所增加,但真正的問題是時間,萃取過多,咖啡就會變得又苦又酸。

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壓力分析

有了穩定的泵壓、噴流和節流器,就可以來分析衝煮倉的壓力,但它只在一個方向作用。在萃取過程中不能降低流量或衝煮頭壓力,噴流在調節預衝煮方面很有價值,它通過緩慢地增加壓力使咖啡浸潤。

但是,如果想要像活塞槓桿機那樣降低尾部的壓力,我們沒有辦法做到。一旦萃取過程開始,一切都已成定數。

但是我們想這樣做嗎? 預浸咖啡和萃取都需要壓力。有一點是,我們想要萃取,但是又不想把咖啡中所有的物質都萃取出來。那麼減少壓力是一種可以改變不同階段我們想要從咖啡中提取的東西的方法,同時溫度的降低也可以讓濃縮咖啡的萃取有明顯的改變。

這就是控制萃取速率發揮作用的地方,萃取過程中,流量的改變會改變萃取壓力,因為壓力與流量之間存在著緊密的關係。

有很多方法可以做到這一點,包括齒輪驅動的每組變速泵,電機驅動的活塞組件,甚至是泵和組之間的可變比例閥。後面的孔注截流很難精確地調節,但即使購買3萬美元的機器,也能提供良好的效果。

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串聯與並聯電路

到目前為止,一切壓力和流量都在一個單一電路里。然而,從技術人員或工程師的角度來看,多組機器還有其他的挑戰。泵的馬達和泵必須按照機器的預期用途來設計,在一個有三組機器的繁忙車間里安裝100升/小時的油泵,意味著當所有組都在運轉時,它將難以保持壓力。

降壓是顯著的,很容易在儀表上觀察到。一個流量大的泵需要更多的動力來運轉,尤其是當只有一個衝煮頭在工作時,因為它費力運送這麼多的水,以至於即使是平衡的旁路也很難跟上。

並聯電路有效地提高了泵的流量,解決了馬達不足的問題。觀察你的客戶如何在負載下使用機器可能顯示他們需要額外的培訓。每台機器都是不同的,但是如果一個技術人員替換了低流量的泵,那就會造成問題。

熱壓效應

當我們使用壓力測試手柄設置膨脹閥時,有時壓力比壓力表上測量的壓力要高一帕,如果機器裡的一切都是固定和調節好的,會發生什麼?

熱量不僅僅會產生蒸汽,它還能使水膨脹。熱交換器產生的熱量和專用鍋爐的使用增加了泵和衝煮倉之間,以及兩個方向的壓力,同樣的截流孔抑制了衝煮頭的水流,也緩和了水流的膨脹。

由於水是不可壓縮的,現在所有機器在泵前都使用了止逆閥,因此與熱相關的壓力唯一可以膨脹的地方就是壓力測試手柄內。你會經常看到機器儀表上有一個小的增長,但沒有那麼顯著。

這就是為什麼當加熱元件關閉時,我們要用一個封閉手柄將膨脹閥稍微調整一下。這是電路將所達到的最高熱量和壓力,膨脹閥需要在不影響正常萃取壓力的情況下排氣,沒有膨脹閥,螺線管就會失靈,熱交換器就會爆裂。

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底線

濃縮咖啡機試圖完成的事情是,每次向每一組衝煮頭提供一致的溫度、壓力和流量,沒有任何不可預見的波動。咖啡機必須是整個表演中的直男。我們花了很多時間來修飾和調整每一個細節,因為它必須保證每一次表現都是一樣的。

整個過程中唯一的變量不應該是咖啡機,而是旁邊的研磨機。

變量

最後一個限制機器流量唯一有價值的變量: 咖啡粉碗。較低的流速降低了上游截流孔的影響,使其接近於零。如果通過粉餅的流量過大,上游的截流孔就會起作用,從而降低衝煮倉的壓力。這就是為什麼在下圖中,粉餅的阻力是V(變量),為保證一致性,研磨粗細和布粉成為了唯一重要的影響濃縮咖啡質量的因素。

在寫這篇文章的過程中,我確實有了一個頓悟。雖然我取笑那些,用計時器這種老式方法來判斷意式濃縮咖啡萃取的人,但是我仍然堅持認為:如果你無法肉眼判斷濃縮咖啡的好壞,那應該另尋職業出路了……

壓力和流量之間的精確關係意味著,通過時間來判斷意式濃縮咖啡萃取時間,實際上變量很大。一個正確校準過的咖啡機,可以通過濃縮流速判斷出衝煮倉壓力是否正確。

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在上圖中,P為壓力,R為截流孔所產生的限制,單位為毫米。Rv是變量,它表示咖啡粉餅帶來的阻力。

上面的電路是為了說明大多數咖啡機壓力通過截流孔的變化,從最初的水流到最後的濃縮。除了P1,所有的壓力都是截流孔作用的反應,而不是實際的樣品或計算,管道尺寸、管件的樣式和電路的幾何形狀都起一定作用,每台機器都不一樣,需要的公式太複雜,無法進行討論。

原文鏈接:
https://dailycoffeenews.com/2019/07/24/pressure-and-flow-a-guide-for-espresso-technicians/
作者:Michael Teahan
翻譯:Maggie Yu
整理校準:黃丹陽

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