История и устройство эспрессо-машин: бойлеры, насосы и экстракция

В однобойлерной машине с резервуаром насос подаёт воду из него в бойлер. Внутренний нагревательный элемент нагревает воду; при открытии клапана горячая вода проходит через группу и душевую сетку к кофейному слою. Кофе проходит через мелкие отверстия дна корзины и через носик портафильтра попадает в чашку.

После выхода из бойлера вода для экстракции и пар идут по разным трубкам. Вода направляется в группу, а пар из верхней части бойлера — через ручной клапан в паровую трубку. В однобойлерной машине температуру одного бойлера меняют при переходе между завариванием и паром.

Контуры регулирования давления выполняют две разные задачи. Клапан ограничения давления возвращает часть воды в резервуар при превышении настройки. Трёхходовой электромагнитный клапан во время заваривания соединяет бойлер с группой, а при остановке одновременно перекрывает подачу и соединяет группу со сливом. Остаточные давление и вода из группы уходят в поддон.

Резервуар и подключение к водопроводу

• Машину с резервуаром легко установить, но нужно регулярно проверять запас воды, не допускать загрязнения резервуара и застоя воды.
• Машина с подключением к водопроводу подходит для большого потока заказов, однако требует согласованной организации давления подачи, запорного клапана, защиты от обратного потока, слива и производительности фильтра.
• Датчик уровня и клапан автоматического наполнения помогают предотвратить нагрев пустого бойлера. Типы датчиков и условия срабатывания зависят от машины.

Термоблок и проточный нагрев

Термоблок — нагреваемый металлический блок с узкими внутренними каналами, через которые проходит вода. Он быстро прогревается и позволяет сделать машину компактной, но изменение расхода воды может менять температуру на выходе.

Стабильность температуры зависит от запаса тепла в нагревательном узле, мощности нагревателя, положения датчика, способа регулирования и конструкции трубопроводов.

Один бойлер

Один бойлер поочерёдно готовит воду для экстракции и пар. Нужные температуры различаются, поэтому после приготовления кофе температуру повышают, а после использования пара снова понижают. Поскольку один бойлер попеременно выполняет две задачи, при приготовлении нескольких растительных латте подряд могут потребоваться паузы.

Теплообменник

В большом бойлере, поддерживаемом при температуре образования пара, размещают отдельную трубку для воды заваривания. Это позволяет одновременно готовить кофе и использовать пар, но температура воды в трубке зависит от простоя, объёма последовательных экстракций и температуры поступающей воды.

Предварительный пролив перегретой воды после простоя называют охлаждающим проливом. Его объём зависит от конструкции теплообменника и группы, времени ожидания и способа температурного контроля.

Два бойлера и многобойлерные системы

Раздельные бойлеры для заваривания и пара позволяют независимо задавать две температуры. Каждый имеет собственный нагреватель, поэтому можно одновременно готовить кофе и пользоваться паром. La Marzocco GS, вышедшая в 1970 году, — один из характерных ранних примеров сочетания отдельных бойлеров заваривания и пара с насыщенной группой.

Многобойлерные машины позволяют задавать разные температуры для групп и выполнять больше операций при большом числе заказов. При этом увеличиваются число деталей, энергопотребление, стоимость установки и ремонта. Важнее не количество бойлеров, а производительность, подходящая под меню и поток заказов.

Вибрационный насос

Вибрационный насос быстро перемещает небольшой поршень электромагнитом, перекачивая воду. Благодаря компактности и невысокой цене его часто используют в домашних машинах с резервуаром. Работа сопровождается звуком и пульсациями воды; длительность непрерывной работы может быть ограничена. Фактическое давление в группе зависит от регулирующего клапана и условий подачи воды.

Ротационный пластинчатый насос

Вода перемещается вращающимися пластинами. Такой насос широко используют в профессиональных машинах с подключением к водопроводу: он сравнительно тихий и хорошо подходит для непрерывной подачи. Не следует самостоятельно крутить видимый регулировочный винт. Неверная оценка давления водопровода и давления при перекрытом потоке может нарушить настройку и создать угрозу безопасности.

Шестерёнчатый насос и регулируемый расход

Шестерёнчатый насос позволяет точно изменять обороты двигателя и тем самым регулировать поток или давление по ходу экстракции. Это называют профилированием расхода или давления. Если сохранить зерно, помол и дозу, меняя только настройки, можно сравнить влияние конкретных изменений давления на вкус.

Рычаг и поршень

В рычажной машине человек непосредственно приводит в движение поршень либо сжимает пружину. В пружинной системе давление естественным образом меняется по мере опускания поршня. Профиль отличается от машины с электрическим насосом, поэтому сравнивать их только по постоянному удержанию 9 бар недостаточно.

Как понимать показания манометра

Насос перемещает воду. Давление возникает, когда утрамбованный слой мелко молотого кофе сопротивляется потоку. С пустой корзиной даже такой же расход воды не создаёт высокого давления экстракции.

Статическое давление, измеренное с глухой корзиной, давление на входе в группу и изменяющееся при экстракции давление внутри кофейного слоя — разные величины. При большей разнице давлений вода стремится течь сильнее, а при большем сопротивлении слоя расход при том же давлении уменьшается.

Более мелкий помол обычно повышает сопротивление слоя. Но при образовании каналов вода устремляется по отдельным путям и извлечение становится неравномерным. Поэтому одинаковое показание манометра не означает одинаковый вкус при разном помоле и распределении кофе.

Заварочная группа

Группа состоит из узлов, которые подают нагретую воду над портафильтром и распределяют её по ширине.

• Группы, связанные с бойлером, и насыщенные группы тесно соединяют воду бойлера заваривания с группой, чтобы уменьшить разницу температур.
• Группы семейства E61 известны циркуляцией горячей воды между бойлером и группой и механическим управлением клапанами. Исходная модель 1961 года имела объёмный насос, манометр и систему теплового баланса. Современные машины с обозначением E61 не обязательно одинаковы по температурным характеристикам и предсмачиванию.
• Группа с электрическим нагревом отдельно регулирует температуру с помощью внутреннего нагревателя и датчика.

Портафильтр

Портафильтр удерживает корзину в группе и направляет готовый кофе в чашку. Вариант с носиками позволяет легко разделить поток на две чашки и уменьшить разбрызгивание. Бездонный портафильтр позволяет видеть разбрызгивание под корзиной или смещение потока в одну сторону.

Наблюдение за смещённым или разбрызгивающимся потоком в бездонном портафильтре помогает искать причину, корректируя помол и распределение кофе.

Корзина

Диаметр, глубина, число и форма отверстий корзины определяют площадь прохождения воды. Фактическая доза кофе влияет на сопротивление слоя. Обозначение «58 мм» скорее указывает на семейство портафильтров. Даже если указаны одинаковые 58 мм, это не означает, что все корзины и темперы точно совместимы. Нужно проверять внутренний диаметр и форму края.

Свободное пространство над кофейным слоем называют хедспейсом. Если его слишком мало, кофе может чрезмерно касаться душевой сетки; если слишком много — вода может размывать слой. Полезно работать в рекомендованном производителем диапазоне дозы корзины и сопоставлять массу сухого кофе со следами на таблетке после экстракции.

Душевая сетка и диффузор

Душевая сетка и диффузор распределяют воду из группы над корзиной. При неравномерном потоке проверяют не только сетку, но и насос, клапаны, накипь и помол.

• Электромагнитный клапан подачи по электрическому сигналу открывает путь воды в бойлер или контур заваривания.
• Обратный клапан не даёт воде течь в обратную сторону.
• OPV, или перепускной клапан, возвращает или отводит воду, когда давление превышает настройку.
• Расширительный клапан снижает давление, возникающее при увеличении объёма нагреваемой воды.
• Предохранительный клапан — последняя защита при аномально высоком давлении в паровом бойлере. Самостоятельно перекрывать место утечки нельзя.
• Антивакуумный клапан уменьшает риск ненормального разрежения и ложных показаний давления при нагреве и охлаждении бойлера.
• Трёхходовой электромагнитный клапан при заваривании направляет воду в группу, а после завершения сбрасывает остаточное давление в слив.

Термостат и прессостат

Механический термостат включает и выключает нагреватель около заданной температуры. В паровом бойлере нагревом может управлять прессостат, реагирующий на давление. В состоянии насыщенного пара давление и температура связаны, но фактические условия зависят от уровня воды, погрешности датчика, атмосферного давления и расхода.

PID-регулирование

PID регулирует мощность нагревателя по разнице между заданной и измеренной температурой. Оно учитывает не только текущую ошибку, но и накопленное отклонение и скорость изменения температуры.

Фактическая точность PID зависит от расположения датчика, теплоёмкости бойлера и группы, параметров управления, поправки показаний и степени прогрева.

Что означает 93°C на дисплее

Показание 93°C обычно относится к датчику на бойлере или нагревательном блоке. Температура воды у кофе зависит от места датчика и поправки дисплея, потерь или поступления тепла на пути к группе и холодной воды, поступающей во время экстракции.

Соотношение дозы и выхода, средний расход

• Соотношение: если из 18 г сухого кофе получено 36 г эспрессо, оно равно 1:2.
• Средний расход: если 36 г эспрессо получены за 27 секунд, это примерно 1,3 г в секунду.

Кофе в чашке содержит воду и растворённые вещества. Объём крема со временем заметно уменьшается, поэтому для проверки повторяемости результата масса в граммах полезнее объёма в миллилитрах.

Одно время не определяет недостаточную или чрезмерную экстракцию. Даже при одинаковых 28 секундах вкус меняется из-за распределения частиц, каналов, дозы, температуры и фактического выхода экстракции. Время удобно использовать для контроля повторяемости одного рецепта.

Предсмачивание

Предсмачивание, или преинфузия, — смачивание кофейного слоя при небольшом давлении или расходе перед основной экстракцией. Оно может помочь вытеснить воздух между сухими частицами и распределить воду. Конструкции различаются: от механических систем с давлением водопровода до отдельного управления насосом, поэтому общего времени для всех машин нет.

Три способа остановки экстракции

• Объёмное дозирование останавливает подачу по числу импульсов расходомера. Из-за воды, удержанной кофе и ушедшей в слив, результат может не совпадать точно с массой напитка в чашке.
• Остановка по времени срабатывает после заданного интервала.
• Остановка по массе измеряет массу кофе в чашке и прекращает экстракцию при заданном выходе.

Паровой бойлер нагревает воду и создаёт пар под давлением, который при открытии клапана идёт в паровую трубку. Число и диаметр отверстий насадки, давление бойлера и доступное количество пара влияют на скорость нагрева растительного напитка и его вращение.

Паровая трубка может вызвать тяжёлые ожоги. Обычно непосредственно перед использованием коротко выпускают скопившуюся воду, а сразу после — протирают отдельной влажной тканью и кратко продувают паром, удаляя остатки внутри насадки. Точный порядок и способ очистки нужно брать из инструкции машины. Нельзя вставлять металлические инструменты в трубки с покрытием или автоматические паровые устройства либо самостоятельно их разбирать.

Для кофейной воды важны не только TDS, но и жёсткость, щёлочность, хлориды и другие показатели. TDS отражает суммарное содержание растворённых веществ, поэтому при одном значении состав кальция, магния, натрия и других компонентов может различаться.

• Слишком высокие жёсткость и щёлочность могут приводить к отложениям накипи в нагревательных узлах и узких каналах.
• Высокое содержание хлоридов или чрезмерная коррозионная активность воды могут повреждать некоторые металлы.
• Использование дистиллированной или почти полностью деминерализованной воды без подготовки может повлиять не только на вкус, но и на определение уровня и детали машины. Некоторые машины с резервуаром определяют уровень благодаря минералам в воде.

Требования производителя к воде зависят от металлов и деталей машины, гарантии и рынка продажи. Фильтр выбирают, сопоставляя допустимые показатели конкретной модели с анализом исходной воды.

Для безопасного обслуживания соблюдайте следующий порядок.

1. Проверьте жёсткость, щёлочность, pH, хлориды и TDS исходной воды.
2. Прочитайте допустимые показатели воды и исключения из гарантии в инструкции машины.
3. Определите ёмкость фильтра и периодичность замены по суточному расходу воды и сезонным изменениям её состава.
4. Измеряйте воду до и после фильтра одним способом и записывайте результаты.
5. Не добавляйте самостоятельно кислотное средство в бойлер только потому, что увидели накипь. Удаление отложений внутри бойлера должно проходить по процедуре производителя или квалифицированного специалиста.

После каждого приготовления

• Удалите использованный кофе и промойте корзину.
• Уберите кофе, прилипший к группе, коротким проливом или щёткой в пределах разрешённого инструкцией.
• Сразу после использования протрите паровую трубку и коротко продуйте, удалив остатки внутри.
• Опорожняйте поддон до переполнения.

После закрытия или по установленному графику

• Удаляйте кофейные масла с корзины и портафильтра специальным средством. Дерево, резина, детали с покрытием и электроника могут повредиться при замачивании.
• Проводите обратную промывку с глухой корзиной только у групп, рассчитанных на неё.
• Дозировку средства, время работы и число ополаскиваний берите из инструкции машины и маркировки средства.

Обратная промывка использует конструкцию, которая отводит поданную в группу воду в слив. Глухая корзина и обратная промывка машины без такого слива могут привести к поломке.

Признаки возможной необходимости обслуживания

• При одном рецепте расход воды постоянно уменьшается.
• Растёт разница температур или выхода напитка между группами.
• Меняется звук насоса либо бойлер наполняется дольше.
• Около предохранительного или антивакуумного клапана постоянно течёт вода или выходит пар.
• Регулярно срабатывает автоматический выключатель или УЗО.
• Уровень воды в бойлере ненормально меняется либо из паровой трубки выходит слишком много воды.

При таких симптомах нельзя продолжать работу и ремонтировать машину наугад. Запишите модель, симптомы, время появления, данные воды и код ошибки и обратитесь к квалифицированному специалисту.

Внутри эспрессо-машины одновременно находятся горячая вода, пар под давлением и электрические цепи с большим током.

• Перед снятием корпуса одного выключения кнопкой может быть недостаточно. Нужно вынуть вилку или отключить автомат и дождаться достаточного снижения давления и температуры и разряда внутренних электрических компонентов.
• Не ослабляйте клапаны, щупы датчиков и соединения трубопроводов, пока бойлер горячий или остаётся под давлением.
• Не перекрывайте утечку предохранительного клапана и не заменяйте его пружину более жёсткой.
• Не включайте протекающую машину повторно, пытаясь выяснить причину.
• Старые машины с газовым нагревом и рычажные машины с мощными пружинами имеют свои отдельные риски.

Специалист должен полностью сбросить давление по сервисной документации модели и правилам безопасности рабочего места, а также применить блокировку и маркировку, исключающие включение питания другим человеком.

Назвать единственного изобретателя эспрессо-машины трудно. Устройства для быстрого приготовления большого объёма кофе, отдельные группы для порционной экстракции, рычажные механизмы высокого давления и электрические насосы появились в разное время.

Домашняя машина

• Сколько чашек вы будете готовить подряд за день
• Что вы пьёте чаще: эспрессо или латте на растительном напитке
• Сколько времени вы готовы ждать прогрева
• Насколько удобно наполнять и мыть резервуар
• Есть ли подходящая для местной воды фильтрация или способ регулирования минерального состава
• Легко ли приобрести прокладки, душевую сетку и корзины
• Можно ли отремонтировать машину в вашей стране и как долго будут поставляться запчасти
• Соответствуют ли номинальная мощность и требования к розетке и автомату условиям в доме

Машина для кафе

• Сколько чашек заказывают за самые загруженные 15 минут и сколько из них — латте на растительном напитке
• Как быстро машина восстанавливается при одновременном использовании экстракции, пара и горячей воды
• Насколько стабильны температура и выход напитка в каждой группе
• Подходят ли давление подачи воды, уклон сливной трубы и производительность фильтра
• Сколько времени занимает уборка после закрытия и какие операции выполняет автоматическая очистка
• Можно ли при поломке продолжать работу на части групп и как быстро приезжает специалист
• Удобны ли сотрудникам высота пространства для чашек, масса портафильтра и расположение рычага пара
• Сколько электроэнергии машина потребляет в режимах ожидания и энергосбережения

Важнее отдельных характеристик вроде «большой бойлер», «насос на 20 bar» или «есть PID» то, насколько стабильны температура и поток при наплыве заказов. Также стоит оценить удобство ухода за водой и очистки, а также доступность ремонта.

Насос на 15 bar лучше машины на 9 bar?

По этому признаку судить нельзя. Максимальное давление насоса, настройка регулирующего клапана, давление при перекрытом выходе группы и давление при прохождении через слой кофе — разные величины. Важнее стабильное воспроизведение давления и потока для выбранного рецепта.

Обязательно ли готовить эспрессо при 9 bar?

Давление около 9 bar широко используют для современного эспрессо, но это не единственный способ приготовления. В рычажных машинах и машинах с управлением потоком давление меняется во время экстракции. При сравнении давления необходимо учитывать место и способ измерения.

Двухбойлерная машина всегда лучше?

Она может быть удобнее, когда нужно одновременно готовить кофе и использовать пар, независимо регулируя две температуры. Однако возрастают цена, потребление электроэнергии, время прогрева и число деталей, которым может потребоваться ремонт. При небольшом объёме приготовления может лучше подойти однобойлерная машина или хорошо спроектированная машина с теплообменником.

Наличие PID гарантирует точную температуру?

PID — один из способов регулирования температуры. Если положение датчика, настройки, тепловой режим группы, прогрев или поправка показаний дисплея не согласованы, показания могут отличаться от температуры в слое кофе.

Безопасна ли бутилированная вода для машины?

По одному названию марки это определить нельзя. Даже у одного продукта состав может различаться в зависимости от источника и времени производства. Жёсткость, щёлочность, содержание хлоридов и pH на этикетке или в результатах анализа нужно сопоставить с требованиями производителя машины.

Можно самостоятельно удалить накипь уксусом или лимонной кислотой?

Если инструкция прямо этого не допускает, делать так не рекомендуется. Можно повредить бойлер, клапаны, покрытия и прокладки, а отделившаяся накипь способна закупорить узкие каналы.

Нужно ли каждый день делать обратную промывку любой машины?

Нет. Сначала нужно убедиться, что машина имеет трёхходовой клапан и конструкцию, допускающую обратную промывку. Даже у совместимых машин интервалы промывки водой и очистки с моющим средством зависят от интенсивности использования и указаний производителя.

Бездонный портафильтр улучшает вкус?

Сам по себе он не делает вкус лучше. Он позволяет видеть поток под корзиной и помогает находить проблемы распределения кофе и образования каналов.

Прогрев завершён, когда дисплей показывает целевую температуру?

Не всегда. Датчик бойлера может достичь целевого значения раньше, чем прогреются группа, портафильтр и чашки. Следует учитывать рекомендованное производителем время прогрева и результаты последовательных приготовлений.

В Mahina можно выпить эспрессо сам по себе или заказать веганский аффогато — растительное мороженое, политое эспрессо.