Рожковые машины от левера до PID

В последнее время все больше электроники используется в различных бытовых приборах. Не избежал этой участи и такой прибор как кофемашина для приготовления эспрессо. Появляются все новые идеи использования и управления различными кофеварками, направленные на облегчение труда бариста.
Если вам надоел кофе “одной кнопкой” из автомата и хочется чуть побольше узнать о возможных альтернативах, то прочитайте эту статью.



Почему же, собственно, эспрессо? Процесс экстракции в эспрессо ограничен (в среднем) 25 секундами, как раз после данного отрезка времени из кофе начинают вымываться кофеин и горькие субстанции. Инфографика ниже показывает, что содержание именно кофеина в чашке эспрессо в разы меньше, чем, скажем, в чашке крепкого черного чая. Потому можете спокойно себя побаловать парочкой “двойных эспрессо” в день, не опасаясь передозировки кофеином. Тему “полезности” кофе мы здесь затрагивать не будем, это отдельные исследования. Однозначно известно, что не стоит пить кофе ведрами и “натощак”, это наиболее губительная комбинация.

Эспрессо

Классическое определение “эспрессо” гласит: Эспре́ссо (итал. espresso) — напиток из кофе, приготовленный путём пропускания горячей (около 90 °C) и находящейся под давлением 9 бар воды через фильтр с молотым кофе. Казалось бы, все просто, однако, например, большинство автоматов создают давление не за счет мелкого помола, когда сама таблетка из кофе оказывает сопротивление потоку воды, а за счет жиклера/клапана расположенного за таблеткой. Заодно этот жиклер еще и кофе вспенивает. Поэтому мы будем рассматривать не автоматы, а полностью/частично ручные рожковые кофеварки.

Определим еще один момент: первичных условий для получения хорошего эспрессо — как минимум два (без них это просто невозможно):

• Свежеобжаренный кофе, не старше 2-3 недель (в редких случаях, в зависимости от смеси — чуть старше);
• Хорошая кофемолка, обеспечивающая равномерный помол (свежемолотый кофе “живет”, в зависимости от окружающей среды где-то до 3-4 минуты). Скажем, Mazzer Mini.

Все рожковые кофеварки объединяет, как ни странно, тот факт, что у них есть “рожок” или портафильтр, они бывают 3 типов: бездонный, с одним носиком для одной чашки или с двумя носиками для 2 чашек. В портафильтр вставляется “корзинка” с таблеткой кофе, сами корзинки бывают для разного количества кофе: на 7 (одиночная), 12, 14 (двойная), 15, 16, 18 или 21 грамм (тройная). Портафильтр с корзинкой вставляется в “варочную группу” кофемашины. На этом “общее” у кофемашин заканчивается. Условно домашние/просьюмерские кофемашины делятся на несколько групп.

Типы кофемашин:

1. Ручные/леверные. Подразделяются по типу привода левера;
2. Однобойлерные кофеварки;
3. Однобойлерные кофеварки с теплообменником;
4. Двухбойлерные кофеварки.

Основная проблема, с которой борются производители кофемашин — термостабильность. Собственно, чем дороже кофеварка, тем большую термостабильность при проливе она может обеспечить, а это напрямую влияет на вкус кофе, поскольку при понижении температуры кофе будет становиться более кислым, а при повышении — “гореть” и в нем будет появляться горечь. В более современных кофеварках добавлена электроника для контроля температуры.

Вторая задача у кофеварок — создание пара для приготовления молочных напитков. В случае с одним бойлером (за исключением некоторых леверных) процесс приготовления эспрессо и пара для взбивания молока будет разнесен по времени, поскольку необходимо разогреть воду до приблизительно 120 градусов. Чем больше паровой бойлер — тем сильнее будет пар и тем большее количество молока возможно взбить за один подход.

Попробуем разобраться с устройством разных видов кофеварок.

1. Леверные кофеварки.

Классическим представителем полностью механических рожковых кофеварок можно считать леверную La Pavoni Europiccola/Professional, которая появилась в далеком 1961 году, то есть она — ровесница именитой группы E61. Из электроники в этой кофеварке, помимо тумблера и нагревательного элемента, есть разве что прессостат. Принцип работы ее достаточно прост: в бойлере кофеварки находится вода температурой около 120 градусов, при подъеме левера вверх поднимаемый левером пистон открывает щель и вода устремляется из бойлера в группу, смешиваясь с воздухом и охлаждаясь, вода из группы тут же попадает на таблетку кофе, обеспечивая, так называемое “естественное предсмачивание”. Проблема с термостабильностью пролива здесь не стоит, потому как во время пролива вода уже практически не изменяет свою температуру. В La Pavoni человек выполняет роль помпы, нагнетая давление поршнем, который давит на горячую воду, заставляя её проходить через утрамбованный в портафильтре кофе. Это фактически означает, что своим давлением на рычаг (lever. eng. — рычаг, левер), пользователь может регулировать пролив и давление воды на кофе, тем самым, образовывая свой вкус чашки кофе. Именно поэтому данную кофеварку можно считать прекрасным инструментом для знакомства с миром эспрессо, поскольку она дает возможность полностью “от и до” проконтролировать процесс приготовления напитка. Минус ее — почти каждая чашка будет “уникальной” и процесс будет превращаться в погоню за идеальной чашкой. Повторяемость — самое сложное на данной кофеварке, но многие ценители держат ее дома как машинку выходного дня. Плюс она подарит немало приятных и веселых минут во время знакомства с миром кофе. Ведь если помол слишком мелкий, то продавить воду поршнем сквозь таблетку будет очень непросто, а сам вес кофеварки невелик. Если все сделано правильно, то на выходе будет ароматный и вкусный эспрессо, получить который будет не так просто и на более дорогих машинах. Особенность La Pavoni — прекрасная ремонтопригодность.

Схема конструкции леверной машины на примере La Pavoni

Технически данная леверная машина состоит из: группы с поршнем и прокладками, которая крепится напрямую к бойлеру, бойлера, в который снизу вставлен нагревательный элемент и регулируемый прессостат, кнопки питания, сбоку есть шкала для визуальной оценки количества воды в бойлере, сверху — манометр (в случае версии Professional), пробка, закрывающая бойлер, аварийный клапан, отвод с краном для паровой. Простота обеспечивает машине практически неубиваемость, нередко можно найти экземпляр из 70ых годов, который все еще работоспособен. Основная проблема данной машины — перегрев группы, ее постарались решить в версии millenium, уменьшив температуру в бойлере и чуть увеличив размер группы. Проблема перегрева возникает при необходимости приготовить несколько чашек “в серии”, что дома бывает далеко не у всех и не так часто. Зато пар, причем сильный, есть на этой машине всегда, просто по определению (прессостат в millenium версии настроен на давление около 1.2 бар, что дает нам приблизительно 120 градусов в бойлере, с небольшим разбегом). Трубка для взбивания не самая удобная, но взбить молоко для latte-art вполне возможно.

Второй тип леверных машин — аппараты с пружинным левером. Классическими представителями являются такие кофеварки как: Ponte Vecchio Lusso, La Peppina, Londinium, Bezzera Strega и т.д. Основное их отличие заключается в том, что пользователь левером сжимает пружину, которая, разжимаясь, уже обеспечивает требуемое давление воды посредством поршня. Данная конструкция обеспечивает хорошую повторяемость “от чашки к чашке” и неплохо подходит для обучения. Более того, есть немало ценителей, предпочитающих именно такой тип машин любым другим. Например, вышедший в конце 2012 года Londinium I произвел немалый ажиотаж в кофейных кругах, невзирая на довольно внушительную цену.

2. Однобойлерные кофеварки

Второй тип кофеварок: кофеварки с одним бойлером, как правило небольшим. Одним из наиболее удачных представителей данного типа кофеварок по заслугам считается Rancilio Silvia (Miss Silvia). Попробуем разобраться как же она устроена:

Рассмотрим прогретую машину, ее 300 мл бойлер заполнен, группа прогрета. В среднем на это необходимо около 40 минут. Вибрационная Ulka помпа забирает холодную воду из бака с водой и подает ее в бойлер, вода проходит через так называемый OPV (Over Pressure Valve) — клапан избыточного давления. Как правило клапан настроен на давление 11-12 бар. Он необходим для того, чтобы при возникновении избыточного давления в тракте вода сбрасывалась обратно в бак для воды. В случае с вибрационной помпой именно этим клапаном осуществляется регулировка давления при проливе.
Поступающая в бойлер вода вытесняет из него нагретую воду в группу, правильно сформированная таблетка должна обеспечить пролив 25/50 мл напитка за 25(+-3) секунд при давлении 8-9 бар. После выключения помпы и остановки пролива в группе все еще сохраняется остаточное давление. Для его сброса в поддон используется так называемые трехходовой клапан (3-Way Valve/магнитный клапан). При отсутствии данного клапана (как, например, это реализовано на более простой La Pavoni) если попытаться достать рожок сразу же после окончания пролива, то оператор получит с легким “чпоньк” плевок разгоряченной кофейной массы во все стороны, после чего будет долго и упорно отмывать себя, кухню и кофе-машину.

На рисунке не показан, собственно, термостат, который осуществляет регулировку давления/температуры в бойлере

Алгоритм работы, описанный выше, выявляет основную проблему: поскольку в бойлер подается холодная вода, разбавляя горячую, то чем меньше размер бойлера — тем быстрее будет понижаться температура воды на выходе. В случае с недорогими машинами, где бойлер имеет объем 120-150 мл, кривая температуры будет начинаться со всплеска около 96 градусов в начале пролива и понижением температуры до 86 градусов в конце пролива, что не может не сказаться на вкусе получаемого напитка. Более того, если мы хотим взбить молоко для каппучино, то для начала нам необходимо приготовить эспрессо, отставить его в сторону, после чего тумблером перевести машину в режим пара, дождаться, пока температура в бойлере достигнет приблизительно 120 градусов и только после этого начать взбивать молоко. Из-за малого объема бойлера пар будет не очень сильным (заметно слабже, чем у самой маленькой леверной La Pavoni Europiccola), поэтому взбить большой объем молока будет непросто.

3. Однобойлерные машины с теплообменником

Далее рассмотрим однобойлерные машины с теплообменником, активно использующаяся в гастрономии и во многих просьюмерских машинах для дома. Конструкция такой машины довольно проста: имеется один бойлер достаточно большого размера (в просьюмерских машинах — обычно в районе 1.6-2 литров, в промышленных машинах для гастрономии бойлер легко может быть более 5 литров, в машинах с несколькими группами и до 15 литров), температура в котором с помощью прессостата поддерживается на уровне 120 градусов. Прессостат позволяет отрегулировать температуру/давление по своему вкусу. Внутри бойлера находится змеевик/теплообменник. При открывании парового крана, соединенного с верхом бойлера, получаем пар для взбивания молока. При включении помпы для приготовления эспрессо холодная вода из бака поступает в теплообменник, нагревается и далее идет в группу, откуда уже попадает на таблетку с кофе.

Схема машины с теплообменником (HX):

Таким образом данная конструкция позволяет одновременно взбивать молоко и приготавливать эспрессо. Недостаток у этой конструкции лишь один: после прогрева машины в теплообменнике находится перегретая вода, температура которой слишком высока для приготовления эспрессо. Потому перед приготовлением чашки кофе следует осуществить так называемый “холостой пролив”, слив перегретую воду в поддон. Как правило следует ориентироваться на “пляшущие струйки”. Как только струи воды перестали шипеть и плясать — температура упала ниже 100 градусов. Далее есть эмпирическое правило: если в этот момент начать считать (99, 98, 97, 96, 95, 94, 93, 92), то последняя цифра, после которой будет остановлен холостой пролив и является температурой пролива. Эту процедуру иногда еще называют “температурный серфинг” и она может быть интересна для тестирования вкуса новых сортов кофе на разных температурах. Для облегчения данной процедуры на этапе обучения очень неплохо подходит термометр Эрика Свендсона. Эрик разработал специальный болт, который ввинчивается в технологическое отверстие группы Е61 и в этот болт вставляется доработанный термометр. Во время пролива термометр показывает фактическую температуру воды в группе.

4. Двухбойлерные кофеварки

Итак, что же такое “двухбойлерник”. Как видно из названия — это кофемашина, имеющая два бойлера: один бойлер — для пара, один бойлер — для эспрессо. Таким образом машина не требует холостого пролива и не требует “температурного серфинга”. В простейшем случае каждый бойлер имеет по прессостату, настроенному на разное давление, что дает нам около 120 градусов в бойлере для пара и около 92 градусов (стандартная заводская настройка) в бойлере для эспрессо. Часто подобные машины тоже имеют теплообменник, проходящий через паровой бойлер. Через теплообменник вода попадает в уже подогретом состоянии в бойлер для эспрессо, что обеспечивает возможность приготовления серии напитков практически без пауз. Машины такого типа, как правило, стоят несколько дороже машин с одним бойлером/теплообменником из-за более сложного конструктива.

Вода из бака или водопровода поступает на вход ротационной помпы с байпассом, далее на выходе расположен предохранительный OPV клапан, после него вода поступает в бойлеры. В паровой бойлер вода подкачивается по мере необходимости автоматически. На дне парового бойлера расположен отвод к крану для горячей воды. В верхней части — отвод для парового крана. При поднимании рычага группы Е61 и включении помпы вода подается через теплообменник, расположенный в паровом бойлере, в эспрессо бойлер, выталкивая из него горячую воду в группу Е61. После того, как левер на группе опускается, помпа выключается, а остаточное давление и вода сбрасываются из группы в поддон с характерным звуком. PID контроллер имеет по температурному датчику в каждом бойлере. Согласно показаниям этих датчиков и настройкам контроллер включает/выключает нагревательные элементы бойлеров посредством SSR реле.

Вот так выглядит сама машина изнутри.

Отдельно рассмотрим основные компоненты кофе-машин.

1. Помпа. Бывают условно трех типов:

— левер (мускульная тяга/пружина) — здесь помпой выступает человек;
— вибрационная помпа: наиболее дешевые помпы, чаще всего от компании Ulka, ее стоимость 18-50 евро, недостаток — шумность и пульсации потока с частотой сети. Quickmill утверждает, что в последних машинах они ставят помпы, в которых вибрации/пульсации сильно снижены за счет нововведений;
— ротационная помпа: эти помпы ставятся на большинство машин для гастрономии и на просьюмерские машины верхнего ценового сегмента. Состоят из, собственно, помпы (часто — ProCon) и электродвигателя, вращающего ротор этой помпы. Стоимость комбинации двигатель + помпа начинается от 200 евро. Недостаток — размеры и цена. Помпа обеспечивает ровное давление, легко настраивается и мало шумит. Дома можно поставить ее под раковину, выведя шланг в машину и получив таким образом практически бесшумный агрегат.

2. Прессостат (дифференциальный манометр).

В кофемашинах используются прессостаты мембранного типа. При падении давления ниже заданного порога слышен щелчок, после которого прессостат замыкает цепь, подавая напряжение на нагревательный элемент. При росте давления по достижению верхнего порога тоже слышен щелчок и прессостат размыкает цепь. Чем лучше прессостат — тем ниже у него гистерезис и тем точнее он позволяет провести настройку. В гастро-машинах часто стоят очень надежные прессостаты фирмы Sirai, с невысоким гистерезисом и возможностью тонкой подстройки. В менее дорогих машинах стоят прессостаты CEME/Mater. У них чуть выше гистерезис и довольно чувствительный болт для подстройки, плюс более низкая надежность. Стоимость — в 2-3 раза ниже, чем у Sirai.

3. OPV (Over Pressure Valve) — клапан избыточного давления.

После того, как вода “вышла” из помпы и пошла в группу — деться ей больше некуда. При нагревании вода тоже расширяется. Для того, чтобы давление в системе не превысило критический порог и устанавливается данный вентиль, настраиваемый обычно на 12-13 бар. При превышении заданного порога происходит сброс воды/давления. По конструкции данный вентиль представляет с собой трубочку с пружинкой и шариком. В случае с ротационной помпой отсутствует необходимость в данном клапане в виду наличия так называемого “байпасса”, который при превышении давления отводит воду обратно, на вход помпы. Этот байпасс настраивается. В случае с вибрационной помпой именно этим клапаном настраивается давление пролива.

Вот здесь лежит хорошая статья на английском языке, где показаны разные типы OPV клапанов. И если для машин с ротационной помпой качество клапана не играет особой роли (он играет роль предохранительного), то для машин с вибрационной помпой достаточно важно насколько качественно выполнен данный элемент.

4. Магнитный трехходовой клапан.

Этот клапан необходим для сброса избыточного давления в группе, не оборудованной механическим приспособлением для сброса давления, сразу же после пролива. При отсутствии данного клапана необходимо после пролива подождать некоторое время, не доставая рожок сразу же из группы.

5. Вакуумный клапан.

Конструктивно: болт с отверстием, в котором свободно ходит штырь. Необходим для того, чтобы при остывании бойлера в нем не создавалось давление ниже атмосферного, потому как в случае с паровым бойлером это могло бы привести к втягиванию внутрь бойлера остатков молока из паровой трубки. Когда вода закипает — в бойлере повышается давление, под воздействием давления штырёк в клапане поднимается и блокируется. Попутно из бойлера вытесняется воздух. При понижении давления штырёк падает вниз, обеспечивая доступ воздуха и выравнивание давления.

Вариант первый проблемный:
По тому какой клапан и каким образом установлен в машине отчасти можно судить о степени компетентности инженеров. Классический антипаттерн проектирования был продемонстрирован на Quickmill Andreja Premium 0980. Недалеко от прессостата, на верхней части бойлера располагается именитый вакуумный вентиль, сидящий в грязной алюминиевой чашке. Почему знаменитый — потому что буквально в паре сантиметров от него находится «защитный термостат». Если кто-то пользуется водой с высоким содержанием солей, то в момент включения/выключения сквозь вакуумный клапан разбрызгивается вода, причем не только вовнутрь алюминиевой чашки, но и на все окрестные компоненты, в том числе и на защитный термостат, что может привести к его выгоранию по причине короткого замыкания (и такие прецеденты были).

Вызывает изумление то, что даже именитые производители в просьюмерских машинах премиум класса умудряются вставать на те же грабли. Вот пример с La Marzocco GS3, стоимостью 5500 евро.
Здесь вода и пар из вакуумного клапана постепенно дули на кусочек теплоизоляции, который в конце концов отклеивался, падал на клапан, фиксируя штырь в полуоткрытом состоянии, после чего при прогреве машины все нутро агрегата наполнялось паром из этого клапана.

Вариант второй — вдумчиво ленивый:
Вакуумный клапан ставится таким образом, чтобы вода из него брызгала “куда-нибудь”, особо не нарушая внутренний мир машины (как видим из предыдущего примера — это не всегда получается).

Вариант третий — красиво странный:
Ставится более дорогой (стоимостью в розницу аж двенадцать долларов вместо семи) вакуумный клапан с трубкой, по которой вода/пар/конденсат может отводиться куда-нибудь… и зачем-то отводится в бак с чистой водой.

Вариант четвертый, наиболее логичный (чаще всего реализуемый силами владельца, а не производителя) — трубка из предыдущего вариант отводится в поддон.

6. Предохранительный термостат.

Назначение понятно из названия — разрывает цепь при достижении бойлером критической температуры.

7. Варочная группа.

Собственно, то место, куда вставляется рожок/портафильтр и где происходит непосредственно “варка” кофе. В некоторых случаях группа является предметом гордости и “секретом” компании. В простейшем случае группа может быть приварена к дну бойлера. В более сложном случае группа может быть “термосифоном”. Внутри такой группы постоянно циркулирует вода, прогревая и подогревая ее. Так же интересное решение применила компания Bezzera в некоторых своих машинах, обеспечив электрический подогрев группы. Одна из наиболее популярных групп с термосифоном — Е61, весит около 4 кг и обеспечивает очень высокую степень термостабильности. Как видно из названия группа была изобретена в 61 году, не так давно отметила свое 60-летие и до сих пор не потеряла актуальности. Устанавливается на просьюмерских машинах верхнего сегмента.

Плюсы группы Е61

• высокая термостабильность во время пролива;
• механическая прединфузия (предсмачивание таблетки перед проливом);
• плавное нарастание давления;
• сброс давления механическим левером непосредственно в поддон;
• высокая ремонтопригодность и относительная простота обслуживания.

Минусы

• требует прогрева, оптимально — около 30 минут. Проблема нивелируется установкой таймера перед машиной;
• требует периодический чистки и смазки пищевым силиконом движущихся частей.

Конструкция группы Е61

Группа Е61 заслуживает отдельной статьи. Это действительно гениальное инженерное творение, которое используется практически без изменений уже более 60 лет. Посмотрите ссылки на два видео.

Коротко показана схема группы и движущиеся части:
www.youtube.com/watch?v=Rc-5k4x0aUs

Группа в прямом смысле «в разрезе», с комментариями на английском о принципе ее работы:
www.youtube.com/watch?v=2jn28YTS3OQ

8. PID контроллер.

Пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор — устройство в управляющем контуре с обратной связью. Позволяет с высокой степенью точности контролировать температуру в бойлере. Устанавливаются серийно на машины верхнего ценового сегмента и на многие современные машины для гастрономии. В случае с PID контроллером отсутствует прессостат. Контроллер с помощью датчика постоянно проверяет температуру и, по необходимости, через SSR (Solid State Relays) включает/выключает нагревательный элемент. Ездившие на машинах с круиз-контролем/темпоматом могут себе представить этот процесс как процесс поддержания машиной заданной скорости. Алгоритмы используются те же самые, только в данном случае поддерживается не скорость, а температура. В лучшем случае контроллер имеет два канала для двух разных бойлеров, поддерживая заданную температуру как в паровом, так и в эспрессо-бойлере. Так же возможна самостоятельная установка контроллера на машины, не оборудованные им с завода. Большой популярностью пользуется установка контроллеров на машины типа Rancilio Silvia.

Какие функции возлагаются на электронику кофемашины сейчас.

• прежде всего — контроль уровня воды;
• контроль температуры воды в бойлерах через PID контроллер;
• в некоторых машинах есть возможность настройки количества проливаемой воды, что актуально для гастрономии, но не очень нужно дома;
• контроль прединфузии для групп, отличных от Е61 (La Marzocco GS/3);
• автоматическое включение/выключение машины, сейчас многие вынуждены подключать свои кофеварки через внешний таймер;
• профилирование давления ротационной помпы; это одно из наиболее интересных нововведений. Идея состоит в том, чтобы в течение пролива шло плавное нарастание/спад давления, что позволило бы сделать мягкую прединфузию, достичь максимального порога давления ближе к середине пролива и несколько убавить давление в самом конце. Споры о полезности данной опции идут давно, равно как и наработки в этом направлении.