茶葉烘干除渣系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

李震，楊碩林，喬文德

（1.250100 山東省 濟(jì)南市 山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院；2.250100 山東省 濟(jì)南市 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院）

0 引言

農(nóng)業(yè)新時(shí)代背景下，國(guó)家大力推動(dòng)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，倒逼農(nóng)業(yè)技術(shù)優(yōu)化升級(jí)。中國(guó)是茶樹(shù)原產(chǎn)地，也是人類(lèi)最早發(fā)現(xiàn)、利用、種植、加工茶葉、傳播制茶技術(shù)及茶文化的文明古國(guó)。我國(guó)茶葉研究發(fā)展速度較快，其制作過(guò)程殺青、做形、攤青、萎凋、做青、發(fā)酵和烘干，其中烘干是茶葉制作的一項(xiàng)重要工藝。在茶葉加工生產(chǎn)過(guò)程中，為了便于茶葉的貯藏運(yùn)輸，往往需要對(duì)茶葉進(jìn)行烘干處理，以除去茶葉中的水分，減少茶葉細(xì)胞中的水分含量，降低其活性并除去細(xì)胞膜的半透性，保證后續(xù)加工能正常、順利地進(jìn)行[1-2]。

我國(guó)地域廣闊，人口種族分布因區(qū)域而有所差異，各個(gè)區(qū)域人群對(duì)于茶葉的品質(zhì)需求各有差別。對(duì)于茶葉烘干操作而言，不同的烘干設(shè)備技術(shù)產(chǎn)出的茶葉含水率會(huì)有質(zhì)上的差距，這種不同點(diǎn)會(huì)歸于最后產(chǎn)品的銷(xiāo)售對(duì)象需求，所以對(duì)于茶葉烘干技術(shù)的研究是提升茶葉不同層次需求的關(guān)鍵點(diǎn)?，F(xiàn)有的茶葉烘干方式一般有2 種：一種是利用人工烘干，采用炭火并由人工翻動(dòng)進(jìn)行烘焙，但是這不僅對(duì)操作人員的手藝提出極高要求，同時(shí)無(wú)法完成大批量的生產(chǎn)，烘干效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且隨著國(guó)家對(duì)各類(lèi)產(chǎn)業(yè)運(yùn)行提出低碳環(huán)保的新要求，這種方式會(huì)逐漸淘汰；另一種是利用機(jī)器烘干，提高茶葉烘干的效率。目前一般采用茶葉烘干機(jī)對(duì)茶葉進(jìn)行烘干處理，茶葉烘干機(jī)烘干時(shí)為了保證茶葉受熱的均勻性，往往需要對(duì)茶葉進(jìn)行翻炒或攪拌，由于烘干狀態(tài)下的茶葉具有易脆性，這必然會(huì)產(chǎn)生茶渣，如果這種含有茶渣的茶葉進(jìn)入后續(xù)工序，后續(xù)工序沒(méi)有涉及去渣工藝，會(huì)直接影響茶葉的品質(zhì)。

因?yàn)椴柙饕a(chǎn)生在烘干工序，如果單獨(dú)再另設(shè)一道工序進(jìn)行除去渣，成本上會(huì)有增加，生產(chǎn)效率也會(huì)降低，結(jié)合機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)一體化設(shè)計(jì)方法，來(lái)構(gòu)思設(shè)計(jì)一種集烘干效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度小、自動(dòng)除渣的裝置來(lái)解決上述問(wèn)題[3]。

1 系統(tǒng)分析

1.1 整體分析

茶葉烘干設(shè)備主要包括智能溫控系統(tǒng)以及配套設(shè)置的執(zhí)行結(jié)構(gòu)、輔助機(jī)構(gòu)。從原理來(lái)講，對(duì)茶葉進(jìn)行烘干處理就是通過(guò)溫度控制實(shí)現(xiàn)對(duì)茶葉水分的去除過(guò)程，溫度控制的全面性是烘干茶葉品質(zhì)的關(guān)鍵，需要對(duì)內(nèi)部茶葉進(jìn)行翻攪，保證茶葉受熱的均勻性。在保證受熱均勻性的前提下，還要保證茶葉受熱效率的線性化。因?yàn)椴枞~在不同的受熱溫度時(shí)間下，茶葉內(nèi)部成分變化程度參差不齊，影響浸泡茶葉后析出物，最終影響泡茶的口感。另外，現(xiàn)在茶葉烘干設(shè)備的能源供應(yīng)多為電力系統(tǒng)，通過(guò)電力對(duì)烘干設(shè)備內(nèi)的電熱絲進(jìn)行加熱，通過(guò)熱輻射對(duì)攪拌、翻整狀態(tài)的茶葉進(jìn)行加熱去水分，隨著烘干倉(cāng)的熱量堆積，很大部分熱量都會(huì)通過(guò)烘干倉(cāng)板熱傳導(dǎo)或者與外界空氣形成換熱對(duì)流，電熱絲熱量利用率比較低。加上攪拌設(shè)備持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動(dòng)，也有能量消耗。

以茶葉烘干設(shè)備的節(jié)能化、環(huán)?；?、集成化為目標(biāo)，為了降低烘干成本、追求高的烘干效率、高的熱利用率，要設(shè)法提高烘干設(shè)備的容積，在有限空間內(nèi)，使得一次溫控烘干過(guò)程產(chǎn)出最大限度容量茶葉噸位[4]。目前，茶葉烘干設(shè)備都已經(jīng)向具備兩者效果（受熱均勻性和提升烘干效率）融合導(dǎo)向發(fā)展來(lái)設(shè)計(jì)：（1）烘干的熱量一般來(lái)源于布置的電熱絲，導(dǎo)熱電絲一般布置在烘干筒體的外壁表面，先熱傳導(dǎo)到筒體壁面，再通過(guò)壁面將熱量傳導(dǎo)或者輻射到茶葉上；（2）為提高烘干效率，上一工序茶葉在立體設(shè)置的筒式體內(nèi)依靠重力輔助作用，流水式輸入與輸出，以此循環(huán)，在立式筒體頂部設(shè)置進(jìn)料口，下端設(shè)置有專門(mén)的開(kāi)關(guān)控制的閥門(mén)。一方面控制閥門(mén)的開(kāi)與關(guān)；另一方面控制閥門(mén)的開(kāi)關(guān)截面大小，來(lái)控制流量，保證內(nèi)部當(dāng)批次茶葉基本的烘干時(shí)間。需要說(shuō)明的是：在烘干期間，為了保證受熱均勻性，經(jīng)常會(huì)在筒體內(nèi)中心位置設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行攪拌，使茶葉大大增加與烘干倉(cāng)內(nèi)熱流的接觸面積[5-6]。

1.2 缺陷分析

結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)茶葉烘干設(shè)備提出的新要求，在烘干期間，為保證受熱均勻性，針對(duì)以上茶葉烘干設(shè)備的整體分析，從單結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行優(yōu)化提高分析入手。首先，烘干設(shè)備整體經(jīng)常會(huì)在筒體內(nèi)中心位置設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸對(duì)茶葉進(jìn)行翻炒或攪拌，這個(gè)過(guò)程中，雖然會(huì)提升茶葉與熱流的接觸面積，但由于部分茶葉受熱量比較大，導(dǎo)致快速干裂，加之?dāng)嚢枇Φ淖饔茫厝粫?huì)導(dǎo)致部分茶葉的破碎而產(chǎn)生茶渣，茶渣隨著高品質(zhì)的茶葉一起流出到下一工序，最后必然會(huì)在本質(zhì)上影響茶葉的品質(zhì)；其次，茶葉烘干設(shè)備的內(nèi)部翻攪過(guò)程中，茶葉雖然不斷接受熱量，但其實(shí)絕大部分熱量都會(huì)通過(guò)筒體外壁面導(dǎo)出到空氣中或者被烘干茶葉帶出筒體內(nèi)部，造成熱源的快速流失，增加電量成本。設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸對(duì)茶葉進(jìn)行翻炒或攪拌，如果攪拌齒的形狀、材質(zhì)不合適，會(huì)加速烘干茶葉的破碎，影響茶葉的品質(zhì)。另外，攪拌齒被破壞后不易更換；雖然烘干筒內(nèi)茶葉被除去了水分，但是由于筒體烘干設(shè)備一般為近似密封體，內(nèi)部水分從茶葉內(nèi)部蒸發(fā)出來(lái)，之后一直在筒體內(nèi)部循環(huán)，其中也會(huì)一部分重新回到茶葉內(nèi)部，造成烘干操作的無(wú)用做功。

1.3 優(yōu)化分析

通過(guò)以上分析出的問(wèn)題，設(shè)計(jì)茶葉烘干裝置時(shí)，進(jìn)行分離化單模塊解決和模塊間融合設(shè)計(jì)，在滿足各項(xiàng)需求效果的同時(shí)，整體的結(jié)合也能達(dá)到設(shè)備整體的需求化目標(biāo)。其中，對(duì)于怎么去除茶渣問(wèn)題的解決，采取以下方式：在中心筒外部連接有抽取管道，中心管上部一側(cè)設(shè)有回風(fēng)管，回風(fēng)管一側(cè)設(shè)有導(dǎo)流管，導(dǎo)流管另一端與內(nèi)筒連通，除渣后的熱風(fēng)通過(guò)回風(fēng)管和導(dǎo)流管再次流入內(nèi)筒，實(shí)現(xiàn)了對(duì)茶葉的再次烘干，充分利用了能源，增強(qiáng)了烘干效率。中心管下端設(shè)有濾網(wǎng)，避免了茶渣再次通過(guò)回風(fēng)管流入內(nèi)筒中，增強(qiáng)了除渣效果。

采取以下方式去除烘干倉(cāng)內(nèi)水分：回風(fēng)管內(nèi)部與導(dǎo)流管交叉處設(shè)有若干彎折狀的除濕板，回風(fēng)管一側(cè)設(shè)有積水倉(cāng)，積水倉(cāng)底部設(shè)有出水閥，回風(fēng)管中的熱氣與除濕板碰撞，除濕板捕捉熱氣中的水蒸汽形成水珠落入積水倉(cāng)，避免了濕氣再次進(jìn)入烘干裝置內(nèi)部，保證了茶葉的烘干效果。除濕板上設(shè)有若干網(wǎng)孔，便于熱風(fēng)的流通，同一除濕板的上下網(wǎng)孔交錯(cuò)布置，保證了除濕板的捕捉效果和良好除濕性能。

采取以下方式提高茶葉烘干效率：外筒外壁一側(cè)設(shè)有保溫棉，保溫棉對(duì)烘干裝置保溫，防止熱源的快速流失。筒體頂板上部一側(cè)設(shè)有觀察窗，觀察窗一側(cè)設(shè)有第2 把手，便于啟閉觀察窗。觀察窗由透明材料制成，便于觀察內(nèi)筒內(nèi)部的烘干情況，實(shí)時(shí)觀測(cè)來(lái)提高茶葉烘干的線性化水平。

采取以下方式提高茶葉受熱效率：設(shè)置上下連接的攪拌體結(jié)構(gòu)。第一攪拌葉下部一側(cè)設(shè)有底座，底座固定地安裝在第一轉(zhuǎn)軸上，底座為錐形，起到了便于出料的效果。第一攪拌葉上部設(shè)有若干第二攪拌葉，第二攪拌葉設(shè)置于第一轉(zhuǎn)軸的上部，對(duì)內(nèi)筒上部的茶葉進(jìn)行攪拌，保證了茶葉攪拌的效果，從而保證了茶葉受熱的均勻性。第一轉(zhuǎn)軸外部一側(cè)通過(guò)鍵條設(shè)置有套筒，第一攪拌葉安裝在套筒下部。第二攪拌葉上端固定地連接在連接盤(pán)上，連接盤(pán)下部一側(cè)設(shè)有第二轉(zhuǎn)軸，第一轉(zhuǎn)軸上端設(shè)有連接孔，第二轉(zhuǎn)軸通過(guò)鍵條安裝在連接孔內(nèi)部。第一攪拌葉和第二攪拌葉均可拆卸，便于第一攪拌葉和第二攪拌葉損壞后更換。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 具體結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，優(yōu)化設(shè)計(jì)后設(shè)備的整體組成單元包括烘干裝置、攪拌裝置、除渣裝置（見(jiàn)圖1）。

（1）烘干裝置包括外筒、設(shè)置在外筒內(nèi)部的內(nèi)筒。外筒、內(nèi)筒間設(shè)有電熱絲，利用電熱絲對(duì)內(nèi)筒加熱，從而實(shí)現(xiàn)了茶葉的烘干。外筒上部一側(cè)連接有頂板，為了便于集氣，頂板為錐臺(tái)形，頂板上設(shè)有進(jìn)料口，進(jìn)料口上設(shè)有進(jìn)料門(mén)，進(jìn)料門(mén)上部設(shè)有第一把手。

（2）攪拌裝置包括第一攪拌葉，內(nèi)筒軸線處設(shè)有第一轉(zhuǎn)軸，第一攪拌葉設(shè)置于第一轉(zhuǎn)軸的底部，對(duì)內(nèi)筒下部的茶葉進(jìn)行攪拌。外筒下部一側(cè)設(shè)有出料口，出料口一側(cè)設(shè)有堵料板，為了便于堵料板的抽拉，堵料板一側(cè)設(shè)有指孔；一側(cè)還設(shè)有若干用來(lái)支撐烘干裝置的第一支腿。外筒下部設(shè)有電機(jī)，電機(jī)輸出軸與第一轉(zhuǎn)軸固定連接。電機(jī)通過(guò)第一轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)第一攪拌葉和第二攪拌葉轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了茶葉烘干時(shí)攪拌，保證了茶葉受熱的均勻性。

（3）除渣裝置設(shè)置于烘干裝置一側(cè)。除渣裝置包括圓柱筒、固定安裝在圓柱筒下部的錐筒、設(shè)置于圓柱筒一側(cè)且與圓柱筒內(nèi)壁相切的進(jìn)風(fēng)管、設(shè)置于圓柱筒中心處的中心管。進(jìn)風(fēng)管通過(guò)出風(fēng)管與頂板連接，為了增強(qiáng)熱風(fēng)的流通性，進(jìn)風(fēng)管和出風(fēng)管之間連接有風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)將內(nèi)筒中的茶渣吸入除渣裝置的圓柱筒中，含渣熱風(fēng)在圓柱筒內(nèi)壁向下做螺旋運(yùn)動(dòng)，茶渣被圓柱筒和錐筒捕捉并落入錐筒底部，熱風(fēng)則通過(guò)中心管排出，實(shí)現(xiàn)了除渣。圓柱筒一側(cè)設(shè)有若干用來(lái)支撐除渣裝置的第二支腿，裝置下部設(shè)有卸料閥，通過(guò)卸料閥將茶渣卸出。

圖1 整體裝配結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall assembly structure diagram

外筒外壁一側(cè)設(shè)有保溫棉，保溫棉對(duì)烘干裝置保溫，防止熱源的快速流失。頂板上部一側(cè)設(shè)有觀察窗，觀察窗一側(cè)設(shè)有第二把手，便于啟閉觀察窗，觀察窗由透明材料制成，便于觀察內(nèi)筒內(nèi)部的烘干情況。第一攪拌葉下部一側(cè)設(shè)有底座，底座固定地安裝在第一轉(zhuǎn)軸上，底座為錐形，起到了便于出料的效果。第一攪拌葉上部設(shè)有若干第二攪拌葉，第二攪拌葉設(shè)置于第一轉(zhuǎn)軸的上部，對(duì)內(nèi)筒上部的茶葉進(jìn)行攪拌，保證了茶葉攪拌的效果，從而保證了茶葉受熱的均勻性。第一轉(zhuǎn)軸外部一側(cè)通過(guò)鍵條設(shè)置有套筒，第一攪拌葉安裝在套筒下部。第二攪拌葉上端固定地連接在連接盤(pán)上，連接盤(pán)下部一側(cè)設(shè)有第二轉(zhuǎn)軸，第一轉(zhuǎn)軸上端設(shè)有連接孔，第二轉(zhuǎn)軸通過(guò)鍵條安裝在連接孔內(nèi)部。第一攪拌葉和第二攪拌葉均可拆卸，便于第一攪拌葉和第二攪拌葉損壞后更換。中心管上部一側(cè)設(shè)有回風(fēng)管，回風(fēng)管一側(cè)設(shè)有導(dǎo)流管，導(dǎo)流管另一端與內(nèi)筒連通，除渣后的熱風(fēng)通過(guò)回風(fēng)管和導(dǎo)流管再次流入內(nèi)筒，實(shí)現(xiàn)了對(duì)茶葉的再次烘干，充分利用的能源，增強(qiáng)了烘干效率。回風(fēng)管內(nèi)部與導(dǎo)流管交叉處設(shè)有若干彎折狀的除濕板，回風(fēng)管一側(cè)設(shè)有積水倉(cāng)，積水倉(cāng)底部設(shè)有出水閥，回風(fēng)管中的熱氣與除濕板碰撞，除濕板捕捉熱氣中的水蒸汽形成水珠落入積水倉(cāng)，避免了濕氣再次進(jìn)入烘干裝置內(nèi)部，保證了茶葉的烘干效果。除濕板上設(shè)有若干網(wǎng)孔，便于熱風(fēng)的流通，同一除濕板的上下網(wǎng)孔交錯(cuò)布置，保證了除濕板的捕捉效果，提高了除濕板的除濕性能；中心管下端設(shè)有濾網(wǎng)，避免了茶渣再次通過(guò)回風(fēng)管流入內(nèi)筒中，增強(qiáng)了除渣效果。

2.2 技術(shù)效果

該裝置提供一種茶葉烘干除渣裝置，將茶葉倒入烘干裝置中，利用外筒、內(nèi)筒間的電熱絲對(duì)內(nèi)筒加熱，進(jìn)而對(duì)茶葉加熱，再利用第一攪拌葉、第二攪拌葉對(duì)茶葉進(jìn)行攪拌，保證了茶葉的受熱均勻性，再通過(guò)出風(fēng)管一端的風(fēng)機(jī)把茶渣吸入除渣裝置中，達(dá)到除渣效果，既保證了茶葉的受熱均勻性，提高了茶葉的烘干效率，又保證了茶葉的品質(zhì)；在熱量利用的過(guò)程中，中心管上部一側(cè)設(shè)有回風(fēng)管，回風(fēng)管一側(cè)設(shè)有導(dǎo)流管，導(dǎo)流管另一端與內(nèi)筒連通，除渣后的熱風(fēng)通過(guò)回風(fēng)管和導(dǎo)流管再次流入內(nèi)筒，實(shí)現(xiàn)了對(duì)茶葉的再次烘干，充分利用能源，增強(qiáng)了烘干效率。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了茶葉烘干除渣裝置，并對(duì)裝置分結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，針對(duì)如何去除茶渣問(wèn)題、如何去除烘干倉(cāng)內(nèi)水分問(wèn)題、如何提高茶葉烘干效率問(wèn)題以及如何提高茶葉受熱效率問(wèn)題等一系列現(xiàn)存問(wèn)題，在現(xiàn)有設(shè)備基本流程（茶葉倒入烘干裝置中，利用外筒、內(nèi)筒間的電熱絲對(duì)內(nèi)筒加熱，進(jìn)而對(duì)茶葉加熱，再利用第一攪拌葉、第二攪拌葉對(duì)茶葉進(jìn)行攪拌等）基礎(chǔ)上，再通過(guò)出風(fēng)管一端的風(fēng)機(jī)把茶渣吸入除渣裝置中，達(dá)到除渣效果，既保證了茶葉的受熱均勻性，提高了茶葉的烘干效率，又保證了茶葉的品質(zhì)；在熱量利用的過(guò)程中，中心管上部一側(cè)設(shè)有回風(fēng)管，回風(fēng)管一側(cè)設(shè)有導(dǎo)流管，導(dǎo)流管另一端與內(nèi)筒連通，除渣后的熱風(fēng)通過(guò)回風(fēng)管和導(dǎo)流管再次流入內(nèi)筒，實(shí)現(xiàn)了對(duì)茶葉的再次烘干，充分利用能源，增強(qiáng)了烘干效率?？傮w達(dá)到除渣效果，既保證了茶葉的受熱均勻性，提高了茶葉的烘干效率，又保證了茶葉的品質(zhì)。