Kavurma makinesinin ekranında bir sayı yükselir durur: çekirdek sıcaklığı. Kavrum profili bu sayıya göre kurulur, birinci çatlamanın hangi derecede geldiği bu sayıyla konuşulur. Peki o sayı gerçekten çekirdeğin sıcaklığı mı? Isı çekirdeğe ne kadar hızlı geçiyor ve bu hızı ne belirliyor?

Kahve Kavurma Bilimi serisinin ilk yazısında ısının çekirdeğe üç yoldan geçtiğini anlatmıştık: sıcak metale değerek (iletim), sıcak havayla (taşınım) ve ışınımla. Bu yazıda o üç yolun makinenin içinde nasıl çalıştığına bakıyoruz. Isının neden hemen geçmediğiyle başlayıp çekirdeğin tamburdaki hareketine, havanın rolüne ve ekrandaki sayının ne ölçtüğüne geçeceğiz.

Isı neden hemen geçmiyor?

Oda sıcaklığındaki bir çekirdek 250°C'lik havaya girdiğinde bir anda 250°C olmaz. Isınması dakikalar sürer ve hava ile çekirdek arasındaki fark azaldıkça ısınma da yavaşlar. Fizikte buna Newton'un soğuma yasası deniyor: Bir cisme geçen ısının hızı, cisim ile çevresi arasındaki sıcaklık farkıyla orantılıdır.

Bu orantının katsayısına ısı aktarım katsayısı deniyor. Katsayı, 1 derecelik sıcaklık farkında çekirdeğin her metrekare yüzeyine saniyede kaç joule ısı geçtiğini söylüyor. Birimi W/m²K. Katsayı büyükse aynı sıcaklıktaki hava çekirdeği daha hızlı ısıtır. Havanın hızı, çekirdeğin hareketi ve makinenin tasarımı bu katsayıyı değiştiriyor.

Trieste Üniversitesi'nden Basile ve Kikic, 2009'daki makalelerinde farklı makine tipleri için literatürdeki tipik değerleri bir tabloda topladı:

  • Tamburlu makine: yaklaşık 2,9 W/m²K
  • Hava kavrumu (air roasting), çekirdekler ortadaki hava sütununda yükselip kenarlardan geri düşüyor: yaklaşık 15 W/m²K
  • Hava kavrumu, çekirdeklerin tamamı havada asılı: 40–120 W/m²K

Bu tablonun önemli bir varsayımı var. Yazarlar modellerinde çekirdeğin makinenin metal yüzeylerine değdiği alanı ihmal edilebilir saydı. Yani tamburdaki değer yalnızca havadan gelen ısıyı anlatıyor, tambur duvarından iletimle gelen ısıyı içermiyor. Tamburda duvarın payının ne kadar olduğuna aşağıda ayrıca döneceğiz.

Aynı makale bir şeye daha bakıyor: Isı çekirdeğin yüzeyine geldikten sonra içine ne kadar kolay yayılıyor? Çekirdeğin içi ısıyı yavaş iletir. Isı yüzeye çok hızlı geliyorsa, yüzey ısınırken içi geride kalır. Basile ve Kikic'in hesabına göre tamburda bu iç direnç toplam direncin yaklaşık %1'i. Çekirdeğin içi ile yüzeyi neredeyse aynı sıcaklıkta ısınıyor.

Çekirdeklerin tamamen havada asılı kaldığı hava kavrumunda tablo değişiyor. Aynı hesapta iç direncin payı %24–33'e çıkıyor. Isı yüzeye o kadar hızlı geliyor ki çekirdeğin içi ona yetişemiyor ve yüzey içten belirgin biçimde daha sıcak oluyor. Yazarların simülasyonları da bu makinelerde çekirdek içindeki sıcaklık farkının tambura göre çok daha büyük olduğunu gösterdi.

Isıyı hızlı veren makine yalnızca kavrumu hızlandırmıyor, çekirdeğin dışıyla içi arasındaki farkı da büyütüyor.

Basile ve Kikic literatürdeki tipik çalışma koşullarını da özetliyor. Tamburlu süreçlerde kavrum 8–20 dakika sürüyor ve makineye giren havanın sıcaklığı 400–500°C oluyor. Hava kavrumunda ise hava 240–270°C ve kavrum yaklaşık 5 dakika. Hava kavrumu daha soğuk havayla daha kısa sürede kavurabiliyor, çünkü ısıyı çekirdeğe çok daha verimli aktarıyor.