茶葉箱式烘焙機結構優化設計與試驗

陳加友

(黎明職業大學，福建 泉州 362007)

制茶過程中茶葉烘干是必不可少的工序，烘干過程中茶葉在去除水分同時還伴隨著熱化學變化，使得茶葉更色香味俱全[1-3]。從物理學角度觀察，茶葉干燥是一個質熱交換的過程，茶葉受到熱空氣后，茶葉內部的水分向表皮外移動，排出茶葉內部的水分，達到干燥效果[4-7]。在實際的生產中，農產品物料干燥為大批量連續作業過程，由于在干燥設備內物料分布和使用的設備熱源不同，導致同一批次物料干燥品質差異性巨大。因此，干燥箱內的物料和熱源分布的均勻性成為干燥工藝的研究重點[7-9]。

在茶葉干燥的過程中，需要解決受熱不均勻的問題。目前，茶葉干燥工藝研究較少，需要借鑒農產品的果蔬干燥工藝，探究新的茶葉干燥工藝，為茶葉干燥設備的設計提供理論支撐。俞建鋒等[10]通過采用微波分散方法，考察微波能量分布及物料運動方式等對干燥均勻性的影響，研究結果表明提高微波分散均勻性與優化物料在微波腔內相對運動可以明顯改善胡蘿卜干燥的均勻性；吳繼忠等[11]采用近紅外光譜分析技術分析茶葉在干燥的過程中水分散失的速率，為茶葉干燥過程的品質數字化和智能化控制提供方法；明延玉等[12]利用太陽能集熱與熱泵聯合干燥工藝代替傳統的干燥方法，能夠解決干燥系統能量供應的穩定性和經濟性問題，節約能源36.7%～41.1%，節能效果更加顯著；李兵等[13]基于遠紅外熱源與六安瓜片傳統烘焙工藝，設計了轉盤式六安瓜片烘干機，對時間與溫度的調控更為精確，與人工傳統烘焙相比結果更優，但在溫度場均勻性上仍有優化空間；Benhamza Abderrahmane等[14]基于計算流體力學和圖像處理等分析手段，對間接式太陽能干燥器干燥過程的均勻性進行分析，認為通過參數研究獲得合適的干燥室空氣分布對于保證產品的均勻干燥至關重要；Jiang Mengxiang等[15]通過擺動溫度、交替氣流以及振動各方面交互耦合的方式，進一步增強了干燥均勻性，為繼續增加層厚提供了新的解決方案；在茶葉烘焙工藝中，林新英[16]基于Pro/E設計了圓形箱體結構的電熱式茶葉烘焙機，但由于各層物料距離熱源遠近不同，整體干燥均勻性仍有較大提升空間。綜上所述，茶葉干燥技術仍缺少成熟的設備，茶葉箱式烘焙機是將新鮮茶葉通過熱力學方法進行加熱處理得到優質的茶葉，現有的茶葉烘干設備仍難以應用于茶葉干燥的過程中，需要一種能夠精確控制烘箱內的溫度，達到優質茶葉的標準。

針對新鮮茶葉干燥過程中受熱不均勻的問題，選取福建省安溪縣鐵觀音茶為樣本，提出一種茶葉箱式烘焙機。主要研究內容包括：通過有限元分析法和箱式烘焙機內茶葉傳熱傳質分析法相結合，對傳統烘焙機進行結構的優化改進，并對其箱內溫度均勻性、葉干燥品質的一致性進行試驗驗證。本研究可為茶葉烘焙機的產業化提供新的技術參考。

1 茶葉箱式烘焙機的設計與優化

1.1 茶葉箱式烘焙機的設計

1.1.1裝置組成

茶葉箱式烘焙機的結構由風機、電爐絲、篩架、旋轉電機、排氣、進氣孔、電控箱和箱體等組成，如圖1所示。為了優化傳統的茶葉干燥方式，設計并優化了茶葉烘焙機械，并在福建省泉州市安溪縣佳友機械公司進行試驗。

1—風機；2—電爐絲；3—篩架；4—旋轉電機；5—排氣孔；6—進氣孔；7—電控箱。圖1 茶葉烘焙機結構Fig.1 Structure of the tea roaster

1.1.2裝置工作原理

茶葉箱式烘焙機內部的電爐絲加熱，渦輪風機吹風至電爐絲產生熱風，熱風經風道吹至箱體內，箱體內旋轉篩架上的茶葉受熱產生水蒸氣，水蒸氣伴隨熱風經由另一側風道及排氣孔排出，茶葉在干燥過程中茶葉受熱均勻，減少試驗誤差，最終干燥出優質的茶葉。

1.2 茶葉箱式烘焙機的優化

1.2.1茶葉箱式烘焙機頂部優化

茶葉箱式烘焙機頂部結構，如圖2(a)所示，3號電爐絲位置是在風機右側，未能很好地發揮其加熱性能，熱傳遞利用率低；為了改善加熱性能，優化了茶葉箱式烘焙機頂部結構的該機電爐絲與風機的相對位置。如圖2(b)所示，風機向下移動，3號電爐絲的位置從風機右側調整到風機正上方，加熱室內的3個電爐絲均勻分布，不僅提高茶葉箱式烘焙機內部傳熱效率，還能提高茶葉干燥的品質。

(a)頂部位置 (b)頂部改動后位置圖2 頂部裝置優化對比圖Fig.2 Comparison charts of top unit optimization

1.2.2進風側開孔位置及大小優化

茶葉箱式烘焙機側板開孔位置、數量及大小見圖3(a)，因其開孔大、數量多以及位置不合理等，影響茶葉箱式烘焙機內部熱流分布。為了解決外部空氣進入烘焙機內部，擾亂內部熱流分布的問題，優化了茶葉箱式烘焙機后側板的結構、開孔數量和位置關系，如圖3(b)所示。通過優化前和優化后進行對比，高度方向開孔數量和大小非均相等，利用減小下部區域進風口大小，改善茶葉箱式烘焙機內部流量分配[12]。

(a)原側板開孔 (b)改動后側板開孔圖3 側板開孔對比圖Fig.3 Comparison diagrams of side panel openings

原側板立面結構(圖4(a))影響氣體的流行性能，通過優化的側板立面(圖4(b))，在原側板立面A區域增加半徑為50 mm圓角，調整第一排開孔位置。A區域為明顯的臺階流區域，為轉捩區，A區域會形成流動分離及回流，圓角結構的第一排開孔位置往下調整，能夠有效改善第一排開孔區域的進氣量；同時增加B位置的沉孔結構，沉孔外形是正方形，尺寸大小為30 mm；改善氣體通過開孔結構的流動角，進一步提高流場的均勻性。

圖4 側板立面對比圖Fig.4 Comparison diagrams of side panel elevation

1.2.3托架結構優化

如圖5(a)示為原托盤間距90 mm，即托盤之間距離為60 mm。為了減少熱流動中的損耗，并配合第一排開孔位置，故在不影響載物料量的前提下，將托盤間距調整為85 mm，即托盤之間距離調整為55 mm，如圖5(b)所示。

圖5 托盤間距對比圖(單位：mm)Fig.5 Comparison diagrams of pallet spacing(unit：mm)

1.3 茶葉烘焙運行方式的優化

從烘焙傳熱傳質過程來看，優化烘焙過程所用工質循環是烘焙設備節能主要方向，通過調整烘焙用工質濕度及過熱度是優化節能的主要手段[13-14]。

現有茶葉烘焙機運行方式是初始空氣介質烘焙，中、后期為濕空氣介質烘焙，控制烘焙的方式為改變介質溫度，此調節方法單一，無法控制介質再循環量及循環介質濕度，進而造成能源浪費。使用過熱空氣替代濕空氣烘焙，在同等狀態參數下，過熱蒸汽大于濕空氣；同等傳熱情況下，過熱蒸汽較濕空氣能夠攜帶更多熱量；運行方式上，由濕空氣烘焙的溫度-濕度同調變為溫度或壓力單調，從控制方式上更為穩定和可控。同時，過熱蒸汽較濕空氣預熱回收過程易于實現，系統對外排放量減少。通過有限元流體仿真和溫度仿真法分析茶葉箱式烘焙機內部速度和溫度的變化情況，結果如圖6(a)和(b)所示，改動前后茶葉箱式烘焙機內部區域速度場及溫度場效果較好。

圖6 優化前后設備速度及溫度分布云圖Fig.6 Cloud diagrams of equipment speed and temperature distribution before and after optimization

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

福建省泉州市安溪縣茶園選取茶樹5年以上的一芽二葉鐵觀音鮮葉作為試驗對象，2022年4月份采摘。選取新鮮葉片大小均勻、色澤大體一致的鐵觀音茶葉1.5 kg，含水率約73%±1%，用自封袋包裝后放入5 ℃的冰箱中貯藏。

2.2 儀器設備

試驗設備主要有茶葉箱式烘焙機(福建佳友機械公司)、BC/BD-102HT型臥式冷藏冷凍轉換柜(海爾集團有限公司)、先行者CP系列電子天平(奧豪斯儀器有限公司)、量程為0～3 200 g，精度為0.001 g。

2.3 試驗方法和指標

2.3.1試驗方法

將冰箱中保存的新鮮茶葉樣品取出，待其溫度達到室溫(室溫為20 ℃)；把新鮮茶葉均分為3等份，分別在茶葉干燥盤上用記號筆進行標記，將它們分別在不同的溫度下(65 ℃、70 ℃、75 ℃)，進行干燥試驗。從茶葉烘焙機中取出的茶葉冷卻至室溫(室溫為20 ℃)，利用稱重法來計算新鮮茶葉的初始含水率，新鮮茶葉的原始水分在73%±1%，目標水分為15%，每20 min取出1組試驗樣品，當新鮮的濕基含水率低于15%停止試驗。

2.3.2試驗指標

1)含水率的測定

含水率的計算按照GB/T5009.3—2003規定進行執行。新鮮茶葉干燥過程中含水率用干基含水率表示，含水率計算公式如式(1)：

(1)

式中：Gt為茶葉任意干燥時間(t)的總質量，g；G0為初始重量，g；M0為初始干基含水率，%。

2)色差的檢測

采用HP-C200型手持式色差儀，測定茶葉干燥前后的色澤變化。通過表征新鮮茶葉與干燥后茶葉色澤變化的差異值，來計算茶葉干燥后的色差ΔE，計算表達式如下所示：

(2)

ΔL*=L*-L0*

(3)

Δa*=a*-a0*

(4)

Δb*=b*-b0*

(5)

式中:L*為在茶葉干燥到最終時刻的明亮度；L0*為茶葉初始明亮度；a*為茶葉干燥到最終時刻的綠紅值；a0*為茶葉初始的紅綠值；b*為茶葉干燥到最終時刻的藍黃值；b0*為茶葉初始的藍黃值。

3 結果與分析

3.1 干燥溫度對新鮮茶葉含水率的影響

為探究新鮮茶葉的干燥動力學影響因素，在不同溫度下對新鮮茶葉進行干燥。干燥溫度為65 ℃、70 ℃、75 ℃，初始質量為500 g。圖7為新鮮茶葉在不同的干燥溫度下，隨著時間的變化，含水率的變化過程。由圖7可知，新鮮茶葉的干燥時間在65 ℃最長，75 ℃時次之，70 ℃時干燥時間最佳。

圖7 不同干燥溫度下新鮮茶葉含水率的變化曲線Fig.7 Variation curves of moisture content of fresh tea leaves at different drying temperatures

3.2 新鮮茶葉干燥溫度和色澤的關系分析

為了體現新鮮茶葉干燥過程中不同溫度對新鮮茶葉色差的影響，根據試驗得到的顏色值a、b和L，計算得到色差ΔE；根據計算結果得出在65 ℃、70 ℃和75 ℃ 3個不同風溫下色差ΔE的關系變化曲線，如圖8所示。試驗表明：隨著干燥溫度的升高，當茶葉干燥溫度為75 ℃，色差幅度波動很大且色差的最終數值偏大，說明在75 ℃下對新鮮茶葉進行烘干，溫度偏高導致茶葉產生褐變，對茶葉的外觀影響較大。

當新鮮茶葉在70 ℃以及65 ℃的溫度下烘干，其色差的變化趨勢大體相同，但是在70 ℃的溫度下干燥色差的數值略微偏小，所以干燥溫度為70 ℃對茶葉的色澤影響較低。色差值小好，由圖8可知，新鮮茶葉在干燥過程中，含水率達到15%時，干燥溫度70 ℃時色差值較小，茶葉的色澤效果、感官品質更佳，更符合消費者心理。

圖8 不同干燥溫度下色澤的變化曲線Fig.8 Color difference curves at different drying temperatures

4 結論

利用有限元分析技術完成烘焙機頂部裝置、進風側開孔、托架結構和茶葉烘焙運行方式的優化。將優化后的結構用于試驗，試驗結果表明茶葉在70 ℃條件下干燥時，茶葉的干燥速率、品質達到最佳效果；70 ℃條件下干燥的茶葉色差較好，該干燥溫度下對茶葉物理特性的影響最小。本研究可為解決新鮮茶葉干燥設備和技術工藝提供理論參考。