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发布时间:2018-08-30 09:54          

压力与流量

 Pressure and Flow

Arno Holschu

Roast

任何时候,当有人对你讲“我的咖啡机坏了需要修理”时,你都可能需要有关流体动力学知识来分析这个问题。当然,你没有必要获得工程学学位去清除堵塞的冲煮头或更换咖啡机水泵。

但在这种情况下,你需要了解一个问题,这个问题包括压力和流量,这是流体力学的两个基本概念,浓缩咖啡的萃取对两者的变化都很敏感。

一,水通过粉饼的瞬时流量(flow rate )决定了水粉接触时间(与萃取率成正比)。二,压力是制作浓缩咖啡的关键,浓缩咖啡是一种口感很厚重的咖啡,其中不可溶固体及悬浮的油脂的混合物我们称之为crema。

使用流量调节压力

细度研磨和强力压粉形成的粉饼让水难以通过,这就是压力可以积聚起来从咖啡中提取crema的原因。所以在咖啡机中设计中使用流量调节(flow restriction)被用作达到所需压力的一种方式。

预浸泡 (soft pre-infusion)这个想法是让粉饼在一段时间内承受少量的压力,在这段时间内咖啡粉遇水膨胀变得饱和(就像手冲咖啡预浸泡原理一样 )。然后,一旦咖啡“准备好了”,咖啡机控制系统将以9bar的压力作用于粉饼开始萃取。

预浸泡的概念最初来自于早期的拉杆咖啡机(lever machines),粉饼最初承受的压力比较小(比如1.5bar),然后再以较高的压力进行萃取(最高压力11bar,在萃取结束时下降到7到9bar),这类咖啡机器使用两个不同的加压系统来提供两个不同的压力。

现在咖啡机中的流量控制阀(通常被称为gicleurs/喷嘴口)存在目的是为了提供预浸泡功能,减少水在粉饼中的流量,使压力增加到9bar所需要的时间延长。这就像你要轮胎胎压达到35psi(大约2.5bar),但是充气泵只有一个细小的喷气嘴。最终会达到35 psi吗?是的,但是你可能因为时间太长而变得气愤不已。

还有更复杂的使用流量来调节压力的方法——比如现在广泛使用的拨桨式变压冲煮”如La Marzocco GS3 manual paddle /MP,这种设计允许咖啡师通过操纵推杆/拨桨打开或关闭联动于内部的阀门开度来控制流量大小。

MP方式来控制压力可能是一个有难度的操作,因为流量控制阀的开度与压力不是线性关系。只要打开阀门一点点,可能会导致流量大幅增加,也可能导致阀前与阀后压力差平衡(阀门开度越小,前后压差越大,开度越大压差缩小)。如果你曾经使用过MP萃取咖啡,会注意到稍微拨动推杆就会戏剧性地改变压力的分配。

结论:使用流量来控制压力的系统非常繁琐

变速泵

处理流量和压力的一种更复杂的方法是使用变速泵(variable-speed pumps)。如La Marzocco Strada EP,它的冲煮系统中设有一个电子压力传感器(electric pressure sensor )检测当前的压力是多少(上升或下降),控制系统将这个压力与咖啡师正在使用的压力曲线进行比较,控制系统向负责这组冲煮头的水泵马达发出信号加速或减速转速,以达到调节压力的目标。

弹簧阀

还有另一种控制压力的方法:弹簧阀(Spring-loaded valves)。一旦压力超过设定压力时(12bar),弹簧就会压缩一点点让水从阀门流出,当压力降低到12bar以下弹簧把关闭件压在阀座上,阀门关闭。

这种弹簧阀的基本设计也可以用于实现预浸泡目标。老式的连续式渐增预浸泡阀门(progressive pre-infusion valves)已经存在了几十年,现在仍在Kees van der Westen的Speedster prosumer咖啡机上使用。

摩擦压降

还有一个话题要讲,当液压流体(hydraulic fluid)在压力的作用下,于管道中从A点流向B点时会发生摩擦压降( Pressure drop)。即使是在一根笔直的铜管中,当水通过管道光滑的内表面时,也会产生足够的摩擦阻力使压力减小,这会干扰对系统内压力的测量。

当你将泵压调至9bar,这不意味着你在冲煮时会得到9bar的压力。这个节点上的9bar压力有可能高于咖啡机冲煮系统的实际压力(如上所述,水从泵经由热交换器或锅炉再到冲煮头过程中产生的摩擦力造成压力下降),也有可能低于冲煮系统的实际压力,如果咖啡机制造商在冲煮系统中使用的是细小的铜管。

了解冲煮系统中的压力与流量,能够使我们制作出更好的浓缩咖啡。

全文完

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