עוד אפשרויות

Google translateGoogle translate
RSSמאמרים וחדשות RSS
קישור לעמוד זהLinkback
גרסא להדפסהגרסא להדפסה
del.icio.usשמירה ב del.icio.us
DIGGהמלצה ב-DIGG

מאמרים מהקבוצה

מה מסתתר תחת ´´מכסה המנוע´´ של מכונת הקפה שלנו?

13/12/2009 - 07:00



 
 
 


מבוא

אז זהו! התחדשנו במכונת קפה יפה ונוצצת, הבאנו אותה הביתה והנחנו אותה על המשטח במטבח. עוד רגע נחבר אותה לשקע, נמלא מים ונוכל ללחוץ על הכפתור בקדמת המכונה בציפייה למילוי הכוס בקפה חם וריחני. המשאבה כבר מגרגרת והנה הקפה מתחיל לזלוג. מיד גם נתפנה להקציף חלב ולהכין לנו כוס קפוצ´ינו כפי שתמיד חלמנו, וכל זאת אצלנו במטבח - איזה תענוג!

ואז, בעודנו מקשיבים לגרגור המשאבה, אולי מתגנבת לכמה מאיתנו מחשבה על "איך זה בעצם עובד שם בפנים"? נשמע פשוט, לא? המכונה מחממת מים, שואבת אותם באמצעות משאבה ומזרימה אותם בלחץ דרך הקפה הטחון או הקפסולה, וזהו בעצם, לא? ובכן - בהפשטה זה אכן כך, אך כשמנסים להעמיק ולהבין מה ההבדל בין מכונות שונות, וכשאנו שואלים את עצמנו מה מבדיל בין תוצאה מדהימה בספלון או בכוס הקפוצ´ינו לבין קפה לא כל כך מוצלח שקשה ליהנות ממנו, אנו מגלים שבעצם לא מעט מסתתר תחת "מכסה המנוע" של המכונה שלנו.

במאמר זה נעשה ניסיון לשלב מעט הסברים טכניים עם הרבה הסברים ותיאורים ברמה פופולארית כדי שיהיה נעים לקריאה גם לאילו מבינינו שאינם בעלי רקע הנדסי. עם זאת, כן ניתנו הסברים טכניים במקומות שבהם הדבר נדרש כדי להבין טוב יותר מה שמתרחש, וגם למען אילו מבינינו שכן אוהבים להבין קצת יותר ולעומקם של דברים.

 

 



 חשיבותה של הטמפרטורה בהכנת קפה

להכנת אספרסו דרושים מים חמים ולהקצפת חלב דרוש קיטור. ידוע שלהכנת אספרסו דרוש גם לחץ, וכן שלחץ משחק תפקיד חשוב גם בהקצפת החלב. במאמר זה נתרכז דווקא בנושא הטמפרטורות, ייצובן ובקרתן, ואילו בנושא הלחץ נעסוק במאמר נפרד בסדרת מאמרים זו. בהמשך המאמר ננסה להבין איך מכונות שונות מפיקות מים חמים בשיטות שונות, ומה היתרונות והחסרונות של כל שיטה והשפעת הגורמים הללו על הטעם של מנת הקפה שלנו.

לפני שנתקדם, עלינו לענות על השאלה "כמה חמים צריכים המים להיות"? טעות נפוצה היא שצריך לחלוט קפה במים רותחים. האמת היא שאספרסו צריך לחלוט במים בטמפרטורה של סביב 90 עד 92 מעלות צלזיוס. טמפרטורה גבוהה מדי תניב קפה מריר מדי בעל טעמים "שרופים", ולעומת זאת טמפרטורה נמוכה מדי תפיק קפה דליל בעל טעם דלוח וחמוץ. מאחר והבדל של כמה מעלות בודדות (כ-2-3 מעלות לכאן או לכאן) כבר משפיע על טעמי הקפה, ישנה חשיבות ליציבות הטמפרטורה בזמן החליטה. מכונה טובה היא מכונה שמצליחה לשמור על טמפרטורה מדויקת ואחידה לאורך כל זמן ה"שוט" - דהיינו, מטיפת המים הראשונה שמחלחלת דרך הקפה ועד הטיפה האחרונה שנפרדת מהזרבובית בדרכה לכוס.

 

העסק קצת מסתבך כשרוצים מכונה שמסוגלת גם להקציף חלב. לכך נדרשת גם היכול לייצר קיטור בנוסף למים החמים. כפי שכולנו יודעים, ב-90 מעלות לא ניתן לייצר קיטור אלא צריך לפחות 100 מעלות צלזיוס לשם כך. כאן אולי המקום להסביר שכדי לייצר קיטור בלחץ גבוה, יש צורך ביותר מ-100 מעלות. איך? ישאלו אולי כמה מכם - הרי מים רותחים ב-100 מעלות ולמדנו שאי אפשר לחמם מים מעל טמפרטורה זו! ובכן, זה נכון כשמדובר במערכת פתוחה, שבה לאדי המים יש לאן לברוח והלחץ מעל המים נשאר כמו לפני הרתיחה - דהיינו לחץ אטמוספרי. אבל כאשר מדובר במערכת סגורה ואין לאדים לאן לברוח (למשל בדוד אטום מלא רק בחלקו במים רותחים), האדים מצטברים והלחץ מתחיל לעלות. כאן נסביר בקצרה שכאשר הלחץ עולה, עולה גם טמפרטורת הרתיחה של המים. לפיכך, במיכל סגור כזה, ככל שנחמם יותר נקבל קיטור בלחץ גבוה יותר. אנו יודעים מהספרות (ומניסיון) שכאשר הלחץ עולה לסביבות 1 באר במיכל כזה, המים יהיו בערך ב-120 מעלות צלזיוס, וניתן גם להסתכל על זה מהצד השני - כאשר המים יהיו ב-120 מעלות צלזיוס, ישרור במיכל לחץ של כ-1 באר.

אם כך, כבר מתחיל להיות ברור שלא תספיק לנו מכונה שרק יודעת לחמם מים, ואפילו לא אם היא יודעת לשמור עליהם בטמפרטורה קבועה ומיוצבת. אנו צריכים מכונה שיודעת לייצר מים בטמפרטורה מסוימת לחליטת הקפה, אך בד בבד גם לייצר קיטור בלחץ ולזה נדרשת טמפרטורה אחרת! המשך המאמר מתאר את השיטות השונות הנהוגות במכונות שונות כדי לעמוד במשימה כפולה זו.

 

 

 

 


מכונות דוד יחיד (Single Boiler)

אולי השיטה הפשוטה ביותר, ולבטח זו שרובנו "מדמיינים" כשאנחנו חושבים על מכונת האספרסו, הינה מיכל ובו מים וגוף חימום, או במילים פשוטות... דוד. ובכן, באמת מכונות רבות אכן מבוססות על דוד יחיד כזה.

את הדוד ממלאת משאבה וטבול בו גוף חימום חשמלי. כדי לבקר את הטמפרטורה משתמשים בתרמוסטאט, בדיוק כמו בדוד במים החמים בבית. תרמוסטאט הוא אביזר שמשלב בין חיישן (סנסור) טמפרטורה ובין מפסק חשמלי שבסופו של דבר מפעיל ומנתק את גוף החימום. כשהטמפרטורה מגיעה לערך הרצוי, התרמוסטאט "חש" בכך ומנתק את גוף החימום. הטמפרטורה בדוד מתחילה לרדת (עקב איבודי חום לסביבה וה"מחסור" באספקת חום משלימה) וכשהיא מגיעה לערך מסוים התרמוסטאט "חש" בכך ושוב מדליק את גוף החימום - וחוזר חלילה. כדי שגוף החימום לא יידלק וייכבה עשרות פעמים בדקה ולבסוף יתקלקל, לתרמוסטאט יש "רצועה מתה" (Dead Band) ולדוגמה הוא יכול להיות מכוון להפסיק את פעולת גוף החימום ב-92 מעלות ולהדליק אותו שוב ב-90 מעלות. כך טמפרטורת המים "מתנדנדת" כל העת בין הגבול העליון לתחתון. מכאן נובע שיש חשיבות לתזמון שבו אנו מפיקים את הקפה ביחס לטמפרטורה שבו נמצא הדוד באותו הזמן. על ההשפעה ועל שיטות לשלוט בתופעה זו (המכונות "גלישת טמפרטורה") נדון בעתיד במאמר המשך למאמר זה.

עד כאן תואר איך מייצבים מים לחליטה. אך מה עם ההקצפה? ובכן, קודם כל מובן שבכדי שיהיה קיטור הדוד לא יכול להיות מלא במים עד סופו, אלא חייב להישאר חלל שבו מתאסף הקיטור והלחץ עולה. כמו כן, התרמוסטאט שתואר קודם אינו מספיק ולמכונות דוד יחיד ישנו תרמוסטאט נוסף שמכוון לטווח טמפרטורות גבוה יותר המתאים להקצפה. כאשר אנו לוחצים על מפסק ההקצפה בקדמת המכונה, התרמוסטאט הזה נכנס לפעולה במקום זה של החליטה, ועתה נשלט גוף החימום כך שהטמפרטורה בדוד תהיה הגבוהה והמתאימה לייצור הקיטור. עכשיו גם מובן מדוע יש להמתין מעט מהרגע שלוחצים על מפסק ההקצפה ועד שהמכונה מוכנה להקציף. מכאן גם צריך להיות ברור מדוע יש לכבות את מפסק ההקצפה ולהמתין עד שניתן יהיה שוב לחלוט קפה. אם מנסים לחלוט קפה בעת שהדוד מכוון על מצב הקצפה (או שלא הספיק עדיין להתקרר מהקצפה קודמת), יתקבל קפה "שרוף" ומר עקב הטמפרטורה הגבוהה מידי.

למכונות ביתיות שונות דוודים שונים הנבדלים בחומר המבנה ובנפח. למכונות טובות יהיה דוד גדול יחסית (כ-300 מ"ל ואף מעט יותר) עשוי נחושת או פליז. למכונות נחותות יותר יהיה דוד קטן (100 מ"ל ואף פחות)  עשוי אלומיניום. באמצע הסקאלה יהיו מכונות עם דודי נירוסטה בנפחי ביניים.

בתמונה הבאה ניתן לראות דוד אלומיניום קטן של מכונת גאג´יה ביתית ודוד דומה כפי שהוא מורכב בתוך מכונת הקפה. ניתן להבחין במחברים החשמליים לגוף החימום ולתרמוסטאט וכן את פתח יציאת המים.

                                          

וכאן ניתן לראות דוד פליז של מכונת רנצ´יליו סילביה ביתית ואת הדוד כפי שהוא מורכב במכונה. 

                                                           

יתרונותיו של הדוד היחיד הם בפשטותו היחסית, במחיר סביר, ביכולת לייצר קיטור להקצפה בלחץ סביר (אולי לא כמו במכונות מסחריות, אך בהחלט מספיק ברוב המקרים לשימוש בייתי). חסרונו הבולט הוא בצורך להמתין במעברים בין חליטה להקצפה, וכן ב"טווח הטמפרטורה" עליו יש ללמוד לשלוט ולחלוט ברגע המתאים. כמו כן הנפח הקטן יחסית של רוב הדודים היחידים במכונות ביתיות מביא לכך שלא ניתן לייצר מספר רב של כוסות ברצף, ועם כניסת מים קרים לדוד במקום החמים שהזרמנו החוצה יש לתת לדוד זמן "להתאושש" ולהגיע שוב לטמפרטורת חליטה אופטימאלית.


מכונות תרמו-בלוק (Thermo-block)

אולי מפתיע, השיטה הזולה והפשוטה מכולן להפקת מים חמים איננה בדוד אלא במתקן שנקרא תרמו-בלוק. זהו גוף מתכתי שבו חרוטים צינורות להזרמת מים וכן משולב בו גוף חימום ששומר עליו חם. הגוף הוא בעל מסה מתכתית מספיק גדולה ששומרת עליו חם גם כשמזרימים דרכו מים קרים והוא מהונדס בצורה כזו שהמים היוצאים ממנו בזמן זרימה הינם בטמפרטורה הרצויה לנו. התרמו-בלוק, בהיותו הפתרון הפשוט והזול מכולם, נפוץ במכונות הזולות יותר מבין מכונות האספרסו. בתמונה הבאה ניתן לראות תרמו-בלוק של מכונת אספרסו ביתית פשוטה.

                                                                
 

יתרונותיו של התרמו-בלוק הם כאמור פשטותו ומחירו, וכן בעובדה שמכונות בעלות תרמו-בלוק מתחממות מהר מכולן. חסרונותיו הינם יציבות תרמית נמוכה יחסית, רגישות לטמפרטורת הסביבה, וצנרת דקה של מים שנסתמת יחסית בקלות באבנית. אולם החיסרון הבולט מכולם של התרמו-בלוק קשור דווקא להקצפה. כפי שראינו כבר, במכונות עם דוד ניתן בקלות לייצר קיטור להקצפה, אולם בתרמו-בלוק אין אפשרות פשוטה לייצר קיטור כי אין נפח לקיטור להצטבר. הפתרון הטכני הוא שמחממים את התרמו-בלוק לטמפרטורה גבוהה ומזרימים מים בפולסים קצרים מהמשאבה. כך שכמויות קטנות של מים נכנסות לתרמו-בלוק לוהט והופכות לקיטור המוזרם לזרבובית ההקצפה. ברור שעקב הנפח הקטן הלחץ והספיקה של הקיטור המתקבל נמוכים למדי ולכן יכולת ההקצפה במכונות עם תרמו-בלוק היא הנחותה ביותר בהשוואה למכונות האחרות. כמובן שגם כאן יש שני תרמוסטאטים וזמן המתנה בין מצב חליטה למצב הקצפה.


מכונות מחליף-חום (Heat-Exchanger)

הניסיון לתכנן מכונה שתוכל לייצר אספרסו ולהקציף חלב ללא המתנה בין לבין או אף במקביל הביא לתכנון של דוד משולב במחליף חום. כדי להבין איך בנוי פתרון זה, נתחיל בעובדה שקודם כל מדובר בבסיס בדוד רגיל, אם כי גדול יותר מדוד יחיד. אולם לדוד זה אין שני מצבי טמפרטורה שונים, אלא הוא מכוון כל זמן פעולתו על "מצב הקצפה", דהיינו מים בטמפרטורה גבוהה ונפח מעליהם המלא בקיטור בלחץ של כ-1 באר. אם כך, את נושא ההקצפה הרציפה פתרנו - יש לנו דוד מלא בקיטור, הוא נמצא תמיד במצב שמאפשר פתיחת ברז והוצאת קיטור זמין, בלחץ וספיקה יחסית גבוהים (מדובר בדוודים גדולים יותר מהדוודים של מכונות הדוד היחיד). עכשיו נותר לפתור את נושא החליטה, וכאן בא החידוש. בתוך הדוד טבולים צינורות המובילים מים שאינם "מתערבבים" עם מי הדוד, אלא עוברים ישר ממיכל המים הקרים ועד לראש החליטה. מאחר והצינורות טבולים בדוד, המים שנכנסים קרים מתחממים תוך כדי זרימה וכשהם מגיעים לראש החליטה הם חמים. אביזר זה נקרא "מחליף חום" (או בקיצור "HX") שכן המים הקרים מתחממים במגע עם דופן הצינור (ואילו המים החמים בדוד מתקררים שכן הם "מסרו" חום למים בצינור). אולם, כבר הזכרנו שהמים בדוד נמצאים בטמפרטורה גבוהה המתאימה להקצפה, ואילו מים לחליטה צריכים להיות סביב 90-92 מעלות בלבד! ובכן, למהירות הזרימה ולשטח המגע שבין הצינור הטבול למים בדוד יש השפעה על הטמפרטורה הסופית של המים הזורמים בצינור. ברור שאם הזרימה תהיה מהירה והשטח הטבול מועט, המים יצאו כשהם קרים יחסית, ואילו בזרימה איטית ושטח טבול רב, המים יצאו חמים יותר, עד למצב "שווי משקל" מסוים שבו המים ביציאה יהיו שווי טמפרטורה למי הדוד (יותר מכך כמובן שאי אפשר). תכנון קפדני של מחליף החום יביא לכך שבזמן זרימה המתאימה למיצוי אספרסו (כ-1 מ"ל בשנייה) טמפרטורת המים המגיעים לראש החליטה תהיה בטווח הרצוי.

ראוי לציין את העובדה שבמערכות אלו השליטה בטמפרטורת המים בדוד אינה מתבצעת באמצעות תרמוסטאט אלא באמצעות אביזר שונה הנקרא פרסוסטאט (או בלעז Pressurestat). אביזר זה דומה בעקרון לתרמוסטאט בכך שביכולתו להדליק ולכבות את גופי החימום, אך במקום לחוש בטמפרטורה, הפרסוסטאט מצויד בחיישן לחץ. כפי שכבר הוסבר בתחילת המאמר, ישנו קשר ישיר בין הלחץ במערכת לבין טמפרטורת המים, ולכן מדידת הלחץ בדוד יכולה להחליף את מדידת הטמפרטורה. על הסיבה לשימוש בפרסוסטאט במקום בתרמוסטאט נדון אולי באחד ממאמרי ההמשך. לפרסוסטאט, בדיוק כמו לתרמוסטאט  ישנה "רצועה מתה" בין הדלקת גוף החימום בתחתית הטווח הנמוך של הטמפרטורה לבין כיבויו בקצה הטווח הגבוה.

באיור הבא ניתן לראות מערכת של דוד ומחליף חום של מכונת אספרסו. המערכת המופיעה באיור מורכבת יותר וכוללת מעגל תרמו-סיפוני, עליו נלמד באחד ממאמרי ההמשך למאמר זה. ניתן לראות מים חמים באדום, מים קרים בכחול וקיטור בנקודות כחולות. כמו כן ניתן לראות צילום של דוד עם מחליף חום המותקן בתוך מכונת אספרסו.

           

 

יתרונותיה של מערכת זו רבים. בנוסף לנפח ולחץ קיטור גבוהים, טמפרטורת חליטה מדויקת ויציבה המערכת מתאפיינת בזמינות גבוהה ומיידית לכל פעולה רצויה בין שמדובר בחליטה או בהקצפה או בשתיהן בו-זמנית. בזמן פעולה רציפה, המערכת "מושלמת" ומייצרת מים זורמים בטמפרטורת חליטה, וקיטור בלחץ וספיקה גבוהים להקצפה.

אולם מה קורה כאשר אנו ממתינים בין חליטה לחליטה? ובכן - כאן נעוץ החיסרון המשמעותי ביותר של המערכת. כאשר אין זרימה המים בצינורות מחליף החום הטבולים בדוד ממשיכים להתחמם עד שהם משווים טמפרטורה עם המים בדוד, שהינם כאמור חמים בהרבה מהמתאים לחליטה. לפיכך לפני שאנו חולטים אספרסו במכונה שהמתינה זמן מה ללא חליטה (מספיקות כמה דקות) , עלינו לבצע פעולה ש"תיפטר" מהמים הרותחים בצנרת ותחליף אותם במים טריים בזרימה רציפה שכן כפי שכבר הוסבר, רק במצב זרימה רציפה בתוך מחליף החום המים מגיעים לטמפרטורה הרצויה. לפעולה זו קוראים "שטיפת קירור" או בלעז " קולינג פלאש" (Cooling Flush). למרות שאין מדובר בפעולה מסובכת, יש לרכוש מיומנות בביצועה הנכון שכן ביצוע לא נכון עלול להביא לחליטה בטמפרטורה נמוכה מדי או גבוהה מדי. עקב חשיבותה הרבה לתפעול נכון של מכונה בעלת מחליף חום, נקדיש לה מאמר ייעודי בעתיד הקרוב.


מכונות דוד כפול (Double Boiler) ובקרי PID

עליית מדרגה נוספת מבחינת מורכבות המערכת (וכמובן גם עליה במחיר) הינה מכונה בעלת דוד כפול. למעשה מדובר בשתי תת-מערכות שונות תחת מעטפת אחת, כאשר לכל תת-מערכת יש את הדוד שלה שמבצע פעולה אחת בלבד. דוד אחד מיועד להקצפה והוא מכוון כצפוי לטמפרטורה גבוהה עם קיטור בלחץ. הדוד השני מיועד לחליטה והוא מכוון לטמפרטורה המתאימה לחליטה. למערכת כזו יתרון עצום בכך ששתי המערכות אינן תלויות זו בזו וניתן להקציף כאילו אין חליטה ולחלוט כאילו אין הקצפה. בניגוד למכונות מחליף-חום, אין במכונות דוד כפול בעיית התחממות ייתר בזמן המתנה, ובנוסף כל אחת מתת-המערכות נתונה לכוונון בלתי תלוי בשנייה. שימו לב שבמכונת מחליף חום, אם ברצוננו להעלות את לחץ ההקצפה, הדבר מלווה בעליית טמפרטורת מי הדוד, ואז גם המים במחליף החום בעת זרימה ייצאו חמים יותר. הזזנו נקודת עבודה בהקצפה, ונקודת העבודה בחליטה זזה גם היא. במכונה כפולת דוודים, התלות הזו אינה קיימת.

חידוש נוסף שמכונות דוד כפול מביאות הינו בקר טמפרטורה אלקטרוני מסוג PID. אנו נמנע במאמר זה מלהיכנס לפרטים הטכניים של בקרים אלו, רק נציין שהם מביאים לבקרת טמפרטורה יציבה ביותר, ומונעים את תופעת ה"רצועה המתה" (Dead Band) שתוארה בהקשר של התרמוסטאטים והפרסוסטאטים. אמנם בקרי PID מאפיינים מכונות דוד כפול, אך משתמשים ביתיים רבים התקינו בהתקנות מאולתרות בקרי PID גם במכונות פשוטות יותר. קיימים תיאורים רבים ואף ניתן להשיג "קיטים" להרכבה עצמית של בקרי PID על מכונות כדוגמת הרנצ´יליו סילביה. חשוב להבין שבמכונת דוד יחיד בקר ה-PID אינו פותר את בעיית ההמתנה בין חליטה להקצפה, אלא רק משפר את יציבות הטמפרטורה לחליטה.

בתמונה הבאה ניתן לראות את שני הדוודים במכונת דוד כפול במכונה ביתית ואת תצוגת בקר ה-PID על חזית מכונה דומה.

                 

סיכום

ההבנה של חשיבות הטמפרטורה בהפקת אספרסו והקצפת חלב וה"קונפליקט" שבין שתי הטמפרטורות הנדרשות במכונת אספרסו הביאו אותנו לנסות ולהבין מהן השיטות המקובלות בתחום מכונות הקפה, וכיצד בנויות מכונות קפה "מבפנים". במאמר זה סקרנו ותיארנו מספר פתרונות מקובלים ואת היתרונות והחסרונות של כל אחד. בהמשך סדרת המאמרים, ניגע מעט יותר לעומק בכמה מההיבטים הטכנולוגיים מחד, והתפעוליים מאידך של כל אחד מסוגי המכונות שתוארו במאמר.

בינתיים, שתו הרבה קפה (אבל במידה) ולהתראות בהמשך!

 תגובות ושאלות? כאן.

 


נושאים מקושרים

HTCafe
HTCafe


עוד מ: joncafe
תגיות


דרגת קושי: 5
דירוג הכתבה

דירוג ממוצע:

5.0
(7) הצבעות

בהקשר זה

 עוד על HTCafe


המאמר הפופולרי ביותר בתחום HTCafe:
ציוד והכנת קפה: מדריך נבוכים חלק 1
למאמר זה בפרקים
תקנון / תנאי השימוש באתר צור קשר / contact us כל הזכויות שמורות לקבוצת ht