HeatFlux , HeatMomentum และ ROR

HeatFlux , HeatMomentum และ ROR

ด้วยความเป็นวิศวกรที่เรียนมาทางพลังงานและเคยสอนวิชา Food Engineering อยู่ 4-5 ปี ผมจึงคุ้นเคยกับคำว่า Heat Transfer มาพอสมควรและเห็นว่าการใช้ concept ของ Heat Flux และ Heat momentum มาช่วยอธิบายปรากฏการณ์ที่เกิดในระหว่างการคั่วกาแฟนั้นน่าจะเป็นประโยชน์ต่อการทำความเข้าใจได้ง่ายขึ้น พอเราเข้าใจหลักการแล้วก็จะเห็นภาพเชื่อมโยงต่อไปอีกเลยว่า ROR หรือ Rate of Rise เนี่ยจริงๆแล้วมันบอกอะไรเราได้บ้าง?
พอผมเล่าแล้วเพื่อนๆก็อาจจะเห็นความสำคัญของอุณหภูมิสิ่งแวดล้อม หรือ Environment Temperature (ET) มากขึ้นด้วย นักคั่วรุ่นหลังดูแต่ probe วัด BT กันจนอาจจะไม่เข้าใจว่าเจ้าเทอร์โมมิเตอร์แบบเข็มบนหน้าปัดที่ติดเอาไว้ตรงแถวๆใต้ hopper นี่ช่างคั่วรุ่นเก่าเขาใช้งานมันยังไง?

---
ปูพื้นเกี่ยวกับโลกของพลังงานกันก่อนนะครับ
ไม่ว่าจะเป็นพืช คน สัตว์ วัตถุ อากาศ น้ำ ฯลฯ ต่างก็มีพลังงานอยู่ในตัวเองโดยปริมาณพลังงานเหล่านั้นเราเรียกว่า เอนธาลปี (Enthalpy) ซึ่งวัดกันในหน่วย kJ/kg หรือพูดกันง่ายๆว่า ของสิ่งนั่นสิ่งนี้ 1 กิโลกรัมมีพลังงานเท่ากับกี่กิโลจูลส์
อุณหภูมิ (Temperature) : คือสิ่งที่บอกว่าวัตถุหรือระบบนั้นมี ‘พลังงานจลน์’ หรือพลังงานส่วนที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของโมเลกุลภายในตัวเขามากแค่ไหน อุณหภูมิยิ่งสูงแปลว่าโมเลกุลยิ่งเคลื่อนที่เร็วและไม่เป็นระเบียบมาก
วัตถุหรือระบบหนึ่งสามารถถ่ายเทพลังงานให้แก่อีกระบบหนึ่งได้โดยจะต้องถ่ายเทจากระบบที่อุณหภูมิสูงกว่าไปยังระบบที่อุณหภูมิต่ำกว่าเท่านั้น ...และพลังงานที่ถ่ายเทสู่กันนั้นเราเรียกว่า ‘ความร้อน (Heat)’
ดังนั้น การถ่ายเทความร้อน (Heat Transfer) ก็คือการที่วัตถุหรือระบบสองระบบที่มีอุณหภูมิต่างกันถ่ายทอดพลังงานให้แก่กันในรูปแบบของความร้อน โดยมีลักษณะการถ่ายเทความร้อนอยู่ 3 แบบได้แก่
• การนำ (Conduction) = วัตถุสัมผัสกับวัตถุ = เมล็ดกาแฟสัมผัสกับถัง drum และเมล็ดสัมผัสกับเมล็ด และเซลล์เมล็ดส่งต่อความร้อนระหว่างกัน
• การพา(Convection) = วัตถุสัมผัสกับของไหลอย่างน้ำหรืออากาศ = อากาศร้อนไหลผ่านเมล็ดกาแฟ
• การแผ่รังสี(Radiation) = วัตถุไม่ได้สัมผัสกันแต่ก็สามารถส่งแผ่รังสีถึงกัน = ถัง drum ความร้อนสูงมากแผ่รังสี infrared ไปถึงเมล็ดได้ถึงแม้จะไม่สัมผัสกับเมล็ดก็ตาม
Conduction และ Convection เป็นกลไกที่เกิดมีบทบาทอย่างมากในการคั่วครับ ซึ่งวันนี้ผมจะขอ focus ในเรื่อง Convection นะครับ

----
Heat Flux คืออะไร?
เมื่อเมล็ดกาแฟอยู่ท่ามกลางอากาศร้อนในเครื่องคั่ว การถ่ายเทความร้อนระหว่างกันจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่ออากาศร้อนกว่าเมล็ด หรือเมล็ดร้อนกว่าอากาศ ซึ่งความต่างระหว่างอุณหภูมินี้เราเรียกว่า Temperature Gradient ถ้าค่า gradient มากความร้อนก็จะถ่ายเทได้แรง ถ้า gradient น้อยความร้อนก็ถ่ายเทแบบไม่แรง ดังนั้น Temperature Gradient จึงเป็นแรงขับเคลื่อนให้เกิดการถ่ายเทความร้อน (Drive)
อยากให้จินตนาการเห็นพลังงานความร้อนที่เคลื่อนถ่ายเทเป็นเหมือนกระแสน้ำที่ไหลจากที่สูงลงไปหาที่ต่ำ หรือกระแสไฟฟ้าที่ไหลจากจุดที่มีศักย์สูงไฟฟ้าสูงไปหาศักย์ไฟฟ้าต่ำนะครับ เราจะเห็นว่าการไหลเคลื่อนย้ายพวกนี้ต้องมี Drive กันเสียก่อน ส่วนจะเกิดกระแสไหลได้มากหรือน้อยก็ขึ้นกับเงื่อนไขที่สองคือสิ่งที่เรียกว่า ความต้านทาน (Resistance)

กระแส​ = แรงขับ/ความต้านทาน
ในการถ่ายเทความร้อนจากอากาศร้อนสู่เมล็ดกาแฟ...แรงขับคือ Temperature Gradient หรือเรียกสั้นๆว่า delta T ส่วนความต้านทานความร้อน (Heat Resistance, Rth) เป็นผลลัพธ์รวมจากหลายตัวแปรร่วมเช่น พื้นที่ผิวและรูปทรงของเมล็ด, ความหนา, ลักษณะการไหลและความเร็วของลม ,ความหนาแน่นและความชื้นของเนื้อเมล็ดกาแฟ ถ้าขณะนั้นสารกาแฟเนื้อแน่นมากก็มี คตท. มาก หรือตอนท้ายๆของการคั่ว เมล็ดเกิดโพรงทำให้ความหนาแน่นลดลง คตท.ก็ลดลง เป็นต้น

เมื่อมีแรงขับและแรงต้าน กระแสความร้อนหรือ Heat current ก็เกิด
ส่วน Heat Flux ก็คือกระแสความร้อนที่ไหลเข้าออกเมล็ดกาแฟต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ (J/m2)
Heat transfer = q = hA (Tair -Tbean)
{ h = สัมประสิทธิ์การพาความร้อน
A​ = พื้นที่ผิวของเมล็ด​ }
heat flux = q/A = h (Tair-Tbean)
อันนี้เป็นสมการถ่ายเทความร้อน convection แบบพื้นฐานนะครับ ไม่ต้องซีเรียสว่าผมจะพามาคำนวณอะไรหรือเปล่า เราแค่ทำความเข้าใจผ่านสมการแค่นั้นเอง
กราฟ Roast Profile ส่วนใหญ่มักจะแสดงพร้อมกัน 3 เส้นได้แก่ Bean temp (BT, จุดวัดอยู่ตรงช่วงกลางค่อนล่างซ้ายของหน้า drum) , Environment Temp (ET, จุดวัดอยู่ช่วงบนของหน้า drum) และ ROR ซึ่งแสดงค่าอัตราการเปลี่ยนแปลงของ bean temp.
นักคั่วจะเห็นว่าช่วงต้นของการคั่วนั้น กราฟ ET มักจะสูงกว่า BT ค่อนข้างมาก (delta T มาก) แต่เมื่อเวลาผ่านไปความห่างของกราฟสองเส้นจะลดลงเรื่อยๆ (delta T น้อยลง)
พูดง่ายๆว่า Delta T มาก Heat Flux ก็มาก ความร้อนก็ไหลเข้าเมล็ดเร็ว เมื่อ Delta T ลด Heat Flux ลด ความร้อนก็ไหลน้อย

บางสถานการณ์ ถ้าหาก ET เกิดน้อยกว่า BT ความร้อนที่เคยไหลเข้าสู่เมล็ดก็จะเปลี่ยนทิศทางกลายเป็นไหลออกจากเมล็ดแทน (เมล็ดเสียความร้อนให้สิ่งแวดล้อม) ซึ่งกรณีเช่นนี้สามารถเกิดขึ้นได้นะครับ ขึ้นอยู่กับว่านักคั่วต้องการผลลัพธ์อะไร

----
ROR เหมือน Speed รถยนต์ซึ่งสะท้อน Heat Momentum (แต่ก็ยังไม่ใช่ค่า momentum)
อย่างที่รู้จักกันดีในหมู่นักคั่วรุ่นใหม่ ROR หรือ Rate of Rise คืออัตราการเพิ่มของอุณหภูมิเมล็ดต่อหนึ่งนาที ถ้าจะว่าไปมันก็คือความชันของกราฟ BT นั่นเอง มันเป็นตัวช่วยให้เรารู้ว่าตอนนี้อุณหภูมิเมล็ดกำลังเปลี่ยนไปเร็วแค่ไหน ซึ่งมักจะสัมพันธ์กับการให้ไฟให้ความร้อนของเรา ถ้าเราใช้ไฟแรงกาแฟได้ความร้อนมาก ROR ก็สูง พอลดไฟลง ROR ก็ลดตาม

เราเปรียบ ROR เหมือนความเร็วของรถยนต์ที่กำลังวิ่งอยู่ครับ ส่วนการเร่งหรือลดไฟก็คือคันเร่งที่นักคั่วใช้บังคับเพิ่มหรือลดความเร็ว
เมื่อรถยนต์วิ่งไปจะมีแรงส่งหรือแรงเฉื่อย เราเรียกว่า Momentum ซึ่งขึ้นกับปัจจัย 2 ข้อ คือ มวล x ความเร็ว
รถคันใหญ่มีมวลหรือน้ำหนักมาก โมเมนตัมสูงกว่ารถคันเล็ก กาแฟหม้อใหญ่ก็มีโมเมนตัมสูงกว่าหม้อเล็ก
อย่างไรก็ตาม ROR โดยปกติแล้วคือตัวสะท้อนถึง Heat momentum ณ ขณะนั้นๆของ batch ที่กำลังคั่วอยู่ “มันบอกเราว่ากาแฟในหม้อนั้นกำลังยกระดับอุณหภูมิไปเร็วแค่ไหน แล้วปฏิกิริยาเคมีที่เราอยากให้เกิดนั้นจะดำเนินไปถูกที่ถูกทางตามที่วางแผนไว้หรือเปล่า”

ดังที่เคยเล่าไปในเรื่องพื้นฐานของปฏิกิริยาเคมีแล้วนะครับ ทุกปฏิกริยาเคมีในการคั่วกาแฟต้องการการส่งพลังงานกระตุ้นไปเพื่อให้ถึงจุดที่สามารถเกิดปฏิกริยาได้เสียก่อน หน้าที่ของนักคั่วคือป้อนพลังงานกระตุ้นนั้นเข้าไปโดยมี ROR เป็นเหมือนเกจ์วัดความเหมาะสมของการป้อนความร้อนที่ช่วงเวลาต่างๆ
ทั้งนี้ต้องอาศัยความเข้าใจกลไกของการเกิด Reaction ตลอดกระบวนการคั่วแล้วคอยป้อนความร้อนให้สอดคล้องกับจังหวะ

----
การควบคุมความห่างของ ET vs BT ก็คือการควบคุม Heat flux
เพื่อรักษา-เพิ่ม-ลด ROR ให้เป็นไปตามแผนการคั่ว นักคั่วจะมีการปรับปริมาณแก๊สหรือไฟฟ้าไปเรื่อยๆ โดยมากมักจะเป็นแนวทางการค่อยๆลดลงตามลำดับ แต่อย่างไรก็ตาม ถังดรัมที่ผ่านการคั่วต่อเนื่องมาทั้งวันแล้วก็อาจจะมีการสะสมความร้อนมากเสียจนรบกวนแผนการป้อนไฟป้อนความร้อนที่ผ่านมาก็ได้
ในช่วงที่กาแฟเกิดปฏิกริยาเคมีแบบคายความร้อน (exothermic reaction) กาแฟจะสามารถเพิ่มอุณหภูมิขึ้นได้จากภายในเมล็ดเองซึ่งหากความร้อนที่เกิดในเมล็ดรวมกับความร้อนจากเตาให้ความร้อนก็อาจทำให้ในห้องดรัมร้อนเกินไป (Maximum Environment Temperature ไม่ควรเกิน 260 C) หากนักคั่วต้องการคุมไม่ให้กาแฟร้อนขึ้นเร็วอย่างนั้นก็อาจทำได้โดยการลดความร้อนแรงของอากาศภายในถังdrumลง จะโดยการลดไฟมากน้อยอย่างไรก็ได้ ตราบเท่าที่ ROR ยังไม่ติดลบ (หรือหมายถึง กราฟ BT ไม่หักหัวลง) ทั้งนี้เพื่อกำหนดแรงส่งทางความร้อนหรือ heat momentum ที่เหมาะสมนั่นเอง
บางที ET ถึงกับต่ำกว่า BT ก็มีให้เห็นกัน (แต่ไม่ค่อยมีตำราไหนสอนนะครับเรื่องนี้ เพราะใจไม่ถึงคงไม่มีใครกล้าทำ) แต่ก็ต้องระมัดระวังไม่ให้ ETต่ำมากเสียจนฉุดดึงอุณหภูมิเมล็ดลดต่ำลง กลายเป็นทำให้การเกิด reaction กลับทิศทาง (กาแฟก็ bake)

พูดมาถึงตรงนี้ เพื่อนๆคงจะเริ่มเห็นว่า ET นั้นที่จริงแล้วเป็นตัวควบคุมกระแสความร้อนที่เกิดขึ้นตลอดช่วงการคั่ว หากรู้จักใช้งานมันเราก็จะมีตัวช่วยในการทำงานเพิ่มขึ้นอีกหนึ่งตัวแปรครับ
สำหรับผมแล้ว ET คือ ‘เหตุ’ ส่วน BT และ ROR คือ ‘ผลลัพธ์’ ที่เราต้องการเห็น
ลองนึกภาพคนคั่วสมัยก่อนที่ยังไม่มี probe วัด BT แต่เขาก็สามารถคั่วได้โดยมีเพียงแค่เทอร์โมมิเตอร์วัด ET เพียงตัวเดียว เขาทำได้ยังไง? แล้วถ้าลองสมมติว่าหัววัดเทอร์โมคัปเปิ้ลของเราเกิดเสียหรือเพี้ยนขึ้นมาแล้วเราจะยังคั่วได้หรือเปล่า?

---
เท่าที่เล่ามา เพื่อนๆอาจจะรู้สึกค่อนข้างหนักและดูเป็นเรื่องซับซ้อนสักหน่อยนะครับ แต่เชื่อว่าหากเข้าใจมันจนกระจ่างแล้ว เราอาจสามารถทลายกรอบเก่าๆที่เคยบีบการทำงานของนักคั่วรุ่นใหม่อยู่ก็ได้
ขอบคุณมากครับ

ผู้เขียน....อาคม สุวัณณกีฏะ