盧貝思專欄

壓差計 你所使用的風門夠精準嗎? (盧貝思專欄#2) (2020年更新)

什麼是壓差計

用來測量兩個端點的壓力差稱之為差壓壓力計,如果把端點裝設在鍋爐內部與烘豆機外部,即可量測烘豆機鍋爐內與外界的壓力差,單位為Pa。

烘豆機機械式壓差計

可以簡單分為機械式壓差計與數位壓差計,機械式壓差計(如附圖),以指針對應刻度來判斷即時的壓力差;數位壓差計,即為利用電子數位顯示即時的壓力差,以小數點為單位,能更精準的顯示壓力差,還能使用電腦紀錄下壓差的變化。

烘豆機數位壓差計

圖1:把壓差的兩個端點放置在鍋爐內部與外界,藍色箭頭為排氣方向,會使鍋爐內產生負壓,壓差計一端量測鍋爐內一端量測外界環境壓力

烘豆機的壓力差是如何產生的?

吹風與抽風

熱風式烘豆機,從燃燒室產生熱風吹入鍋爐內再透過排風管排出,會使鍋爐內壓力大於外界環境,通常會說鍋爐對於環境是正壓差;而直火式、與半直火式的滾桶烘豆機,以抽風馬達抽取鍋爐中的空氣,會使鍋爐內壓力小於外界環境,則會說鍋爐對於環境是負壓差。如圖1,當抽風機抽風時,會開始排風,並使鍋爐內產生負壓。

烘豆反應

在烘焙的過程中,自由水慢慢的蒸散產生水氣,內部會慢慢產生氣體,經過脫水期、梅納反應期、發展期,種種的化學反應使細胞內的水蒸氣和二氧化碳在短時間內排出,會使鍋爐內濕度、氣壓上升。

壓力差與排風量成平方正比

當烘豆機的抽風機開始對外抽風排氣時,鍋爐的內部會產生負壓,而風量與壓差的對應關係,可以用白努力定律去解釋:

(v=流體速度、g=重力加速度、h=流體處於的高度、p=流體所受壓力強度、=流體質量密度、constant=常數)

 

在大氣壓力固定的情況下、g、h不變皆為常數,只剩下(1) v=流體速度與(3) p=流體所受壓力強度,所以可得v^2(流體速度)與p(流體壓力)成正比,也就是說壓力差會與風流速(排風量) 的平方成正比。


以盧貝思紅外線全自動烘豆機的風量對應壓差為例,當風門開50%(1/2)跟100%時,所測得的壓差約為12.5Pa跟50Pa,也就是1/2風量的壓差會是1/4,正好印證壓差是流量的平方正比。

排風量與壓差的關係圖

圖2:排風量與壓差的關係

烘豆機風速計與風量關係圖

圖3:排風量與電腦的控制百分比

什麼監測壓差計這麼重要:

用壓差來監控鍋爐內的真實排風量

 

實際的操控風門不代表真實排風量

圖4:傳統風門葉控制法

 

風門角度與風量關係圖

圖5:傳統風門的風量與門葉角度的風量對應關係

如果烘豆機本身沒有一個精準風量的控制方式,通常以風門的刻度來做為依據,但風門刻度與風量並沒有呈現線性關係,導致風量調整結果並不精確,如圖4、5。

這時候光憑記憶風門的刻度,並不能確保烘豆機鍋爐排風量,這時我們就可以透過壓差讀數觀察風流的大小,壓差的數值可以反應鍋爐內真實的對流狀況,因此可以將之當作是一種排風量真實的數據,讓烘豆師隨時掌控當下的抽風值,以用來精確調控風量。實際的操控風門不代表真實排風量

風流量與穩定烘焙

烘豆機排煙堵住

圖6:使用久的排煙管阻塞

銀皮收集桶及排氣風扇在使用的過程中,油汙及粉塵逐漸附著,抽風量會因為阻塞而減少,造成排氣負擔,導致排氣效果慢慢的減弱,這樣的排氣衰退現象,會進而對烘焙效果造成莫大的影響。如果是傳統風門刻度,通常只能反覆測試熟豆結果才有機會發現,可能會因此浪費掉許多生豆。

壓差計的好處是: 當粉塵影響到排風,控制的風門大小雖然一樣,實際排風卻減少。這個時候,操作者就必須透過觀察壓差得知對流已經變小了,必須加大風門去補償因為阻塞而減少的風量。讓壓差維持在正常的數值,至少可以讓這鍋正常的完成烘焙,結束時再清潔排風管路、排除阻塞的情況。

烘豆機排風量下降

圖7:同樣的烘豆機,使用一段時間後,雖然控制一樣的風量,但是壓差計讀值已經下降了

壓差變化的Q&A

鍋爐內外壓差足以影響烘焙效果嗎

1個標準大氣壓等於101325Pa,假設以盧貝思紅外線全自動烘豆機開到150%風門,會產生約114Pa的壓差,以烘焙機來說壓差不算小,而鍋爐內外壓力真正的氣壓變化計算出來相差為0.112%(114Pa/(101325Pa-114Pa)=0.001126),也就是大約僅千分之一的差異,因此當有人生動得描述"烘焙室失壓可能造成豆子烘不透",如此細微的影響應該是難以觀察與察覺到才是!在此感謝凹仔底烘豆人提出的觀點

山上、颱風天的影響

烘焙咖啡時水氣的氣化、沸騰也是相當重要,例如在高山上水雖然滾了,但水溫卻未達攝氏100度,導致泡麵煮不爛、肉品煮不熟的情況發生。

主要就是因為山上的壓力比平地小很多,大氣壓力會隨高度增加而減小,水的沸點亦隨高度增加而減小,3000公尺的高山大氣壓力大概只有70000Pa(約為地面大氣壓力的7/10)。

當大氣壓力減少100Pa,水的沸點溫度約降低攝氏0.03度,沸點溫度從100降到91度(100-30000/100*0.03)。

台灣颱風天的時候,氣壓有機會從100200Pa(台灣夏天通常氣壓)降至94000Pa,產生約6%的壓力變化(100200Pa-94000Pa)/100200Pa=0.0618),沸點溫度也從100度降到98.14度(100-0.03*(100200-94000)/100),因此對烘豆的影響,不容小覷。