節能型茶葉烘焙機開發及節能分析

陳加友，陳為晶，江進福

（1.黎明職業大學 智能工程學院，福建 泉州 362000；2.福建省計量科學研究院 福建省能源計量重點實驗室，福建 福州 350003；3.福建佳友茶葉機械智能科技有限公司，福建 泉州 362411）

茶產業作為福建省特色優勢產業，在“一帶一路”倡議中屬于傳統優勢特色外向型產業[1].2021年福建省茶葉產量達48.79 萬t，同比增長5.7%，全產業鏈產值超1 400億元，茶葉產量、出口額增速、茶樹良種普及率等多項指標位居全國第一[2].相關研究表明：在干燥過程中，平均每千克茶葉需要消耗11 700～13 600 kJ熱量，烘焙機的熱效率約為57.6%.如果干燥過程的能量利用率提高10%，每千克茶葉可節約標準煤0.05 kg，按福建省2021年的茶葉產量估算，每年可節約標準煤約24 395 t[3].如果按全國的茶葉產量估算，節能量非?？捎^.2021年，中國向全世界莊嚴承諾將實現“3060”雙碳目標，中國碳減排力度遠遠大于歐美等發達國家.在傳統的茶葉加工工藝中，烘焙、炒制、烘干等都是能耗較高的工序[4].傳統茶葉相關機械的制造廠家為滿足生產工藝要求，盲目加大熱功耗設計，造成制茶設備能耗普遍偏高.現有的傳統茶葉烘焙機多采用電熱風烘焙，因內部流場和溫度場分布不均勻，普遍存在烘焙質量差、耗能較高、熱能利用率低等突出問題[5-6].

文中以傳統茶葉烘焙機為分析對象，結合風循環、余熱回收和輔助熱源的應用，開發節能型茶葉烘焙機，通過理論分析及試驗研究，提高茶葉烘焙機節能率，從而為茶葉烘焙節能提供技術支持.

1 節能型茶葉烘焙機的節能原理

1.1 傳統茶葉烘焙機的節能潛力分析

目前，市場上常見的傳統型烘焙機的風循環為“U”字形，即干空氣由上部經引風機進入烘焙機，經電熱棒加熱后的干空氣，向下流經烘焙工作區域后，經過與茶葉的能量與質量交換后轉變為濕空氣，濕空氣在進風與排風壓差的作用下排出烘焙工作區域，然后再向上排出茶葉烘焙機.傳統茶葉烘焙機結構及風循環如圖1所示.

圖1 傳統茶葉烘焙機結構及風循環

從上述風循環可以看出：傳統型茶葉烘焙機工作時，烘焙機工作區域的頂部會聚集大量的濕熱空氣，然后再由壓差的作用流向排風通道.這樣不僅造成較大的流動阻力，增加風機的工作負荷，而且是造成烘焙機工作區域內溫度和風環境分布不均勻的主要原因.因此，有效利用烘焙前后熱空氣的密度差不僅能降低系統內的壓降，降低循環風機的功率，而且還有助于茶葉中水分的及時排出.

1.2 節能型茶葉烘焙機的節能方案

綜合考慮傳統型茶葉烘焙機的風循環、余熱回收利用和輔助熱源等相關原理，創新性地設計研發一種節能型茶葉烘焙機，如圖2所示.

圖2 節能型茶葉烘焙機的實物圖

節能型茶葉烘焙機具體節能優化方案及創新性如下.

1）風循環方式.為充分利用烘焙前后新風和排潮風的密度差，節能型茶葉烘焙機采用下進風、上排風的方案，進風口采用底部四角切向進風，頂部排風的風循環方式可有效降低烘焙機內部的壓降，減少循環風機的工作功率，以達到降低茶葉烘焙機能耗的目的.改進后的茶葉烘焙機結構及風循環示意圖如圖3所示.將茶葉烘焙機內的工作區域由傳統長方形結構改為圓柱形結構，從而在烘焙機的工作區域內營造出螺旋向上的循環風.

圖3 節能型茶葉烘焙機的結構及風循環示意圖

伯努利方程如下

式中：h1、h2為烘焙機內的任一截面高度（h1=h2），m；p1、p2為處于該截面中心和烘焙機圓柱壁面處的空氣壓力，Pa；v1、v2為處該截面中心和烘焙機圓柱壁面處的空氣流速，m·s-1.

對于同一高度截面h1=h2，切向進風使得靠近圓柱壁面處的循環風速較大，即流速越大，壓力越小，而托盤中部的流速小，壓力就越大.由此，在茶葉托盤內外壓差的作用下，可有效將托盤中部的濕熱空氣引流至托盤外，然后在密度差的作用下流向上部的排風口.

2）余熱回收.傳統茶葉烘焙機的排濕風直接排入大氣，實際操作中考慮到烘焙過程中排濕量相對較少，而且烘焙后期茶葉含水率穩定階段排濕風中的含水率較低，因此通過控制烘焙生產工藝，排濕風將具備較好的余熱回收價值.在經過生產工藝的優化后，為提高能源利用效率，在節能型茶葉烘焙機頂部布置溫度、濕度檢測傳感器，實時監測排潮風的溫度和含濕量.當溫度和濕度達到生產工藝設定值時，關閉排風口并將排潮風引流到循環風機的入口，減少排氣的熱量損失，同時降低電加熱棒的功率，從而降低烘焙機的能耗.

3）輔助熱源.遠紅外加熱技術是一種可實現高效加熱的干燥技術.相比電加熱，它具有加熱效率高、加熱質量好、節能等明顯優點[7].遠紅外加熱技術在茶葉干燥過程中起著非常重要的作用，它不僅能提高茶葉本身的感官質量，而且具有較強的干燥效率和良好的連續性，為茶葉初加工過程中的節能降碳奠定基礎.因此，烘焙后期，在余熱回收系統的參與下，為穩定烘焙工作區域內的溫度，系統采用遠紅外輔助熱源替代電加熱棒，直接對烘焙工作區域進行保溫，從而減少因風循環而造成的能量損耗和烘焙機的散熱損失.

2 節能型茶葉烘焙機的理論節能率分析

為便于對比分析，文中選擇茶葉烘焙機（福建佳友，JY-6CHZ），總功率P傳統型為12.575 kW，其中電加熱元件總功率P加熱為12 kW，循環風機功率P風機為0.55 kW，烘盤托架回轉驅動電機功率P電機為0.025 kW.節能型茶葉烘焙機的總功率P節能型為10.75 kW，其中加熱元件總功率P加熱為9 kW，循環風機功率P風機為0.55 kW，遠紅外輔熱熱源功率P紅外為1.2 kW，輔助熱源工作時間為傳統茶葉烘焙機工作時間的一半.

經實測，在茶葉質量相同情況下，分別采用傳統型和節能型茶葉烘焙機進行烘干處理，所消耗的時間大致相同，且烘干水量也基本相同.因此，在烘焙時間、烘干水量相同的情況下，可估算得到理論節能率，其計算式為

式中：η理論表示節能型茶葉烘焙機相比傳統同規格烘焙機的理論節能率，%；t1、t2分別為傳統型和節能型茶葉烘焙機的烘焙時間，設定時間相同（即t1=t2），min.

將參數代入公式（2），得出η理論=19.3%.

3 茶葉烘焙機節能試驗

3.1 試驗系統

茶葉烘焙機的測試系統邊界示意圖如圖4所示.該系統的輸入部分包括電力輸入和含水率較高的初烘茶葉兩個部分，輸出部分包括熱空氣和含水率較低的烘干茶葉.

圖4 茶葉烘焙機的測試系統邊界示意圖

3.2 試驗方法

烘焙機的節能試驗項目包括輸入電量和初烘茶葉、烘干茶葉質量等.試驗項目及試驗中使用儀器信息見表1.

表1 茶葉烘焙機的測試項目、方法及測點位置

試驗對象（烘焙機）采用三相四線制，先將三相四線電能表接線安裝好，然后打開電源開關，將無茶葉烘焙機溫度設置為100 ℃.打開啟動開關，當溫度升至100 ℃下時，稱取5.0 kg 初烘茶葉放入烘焙機中，記錄電量數據.然后，保持烘焙機在100 ℃運行1 h，關閉電源開關，再記錄電量數據.最后，取出烘干茶葉進行稱量，記錄烘干茶葉質量.

3.3 試驗數據分析

分別對兩臺相同規格型號的傳統型和節能型茶葉烘焙機進行3 次試驗.記錄3 組數據并取平均值，數據詳情見表2.

表2 試驗數據處理表

3.4 試驗結果

將初烘茶葉質量減去烘干茶葉質量，得到烘干水量，將耗電量除以烘干水量即可計算出烘焙機的電耗率.節能率計算式為

式中：η實際為節能型茶葉烘焙機相比傳統同規格的烘焙機的實際節能率，%；e傳統型、e節能型分別為傳統型和節能型茶葉烘焙機電耗率，kW·h·kg-1.

試驗結果數據，如表3所示.

表3 試驗結果數據

將試驗數據帶入式（3），計算出η實際=28.0%，節能型茶葉烘焙機的電耗率較傳統型下降了28.0%，即節能率為28.0%，較理論節能率（19.3%）有所提高，主要原因是理論分析中設定烘干水量是相同的，而實際測試中烘干水量不完全相同；此外，當溫度和濕度達到設定值時，節能型茶葉烘焙機自動關閉排風口，減少排氣熱量損失，實際節能率較理論值有所提高.

4 結語

文中分析了傳統茶葉烘焙機的不足，創新性地通過改變結構優化風循環方式、增加余熱回收裝置和遠紅外加熱輔助熱源等方式設計開發了節能型茶葉烘焙機，并詳細介紹了節能型茶葉烘焙機的節能方案.對相同規格型號的傳統型和節能型茶葉烘焙機進行能耗測試，測試結果顯示，改進后的節能型茶葉烘焙機相比傳統同規格的烘焙機節能28.0%.表明文中所開發的節能型茶葉烘焙機設計方案真實有效，對于相關烘干設備的節能改進具有借鑒意義.