紅茶一體化全自動發(fā)酵機的設(shè)計

陳加友

（福建省安溪茶業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)校，福建安溪 362400）

紅茶一體化全自動發(fā)酵機的設(shè)計

陳加友

（福建省安溪茶業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)校，福建安溪 362400）

針對目前紅茶發(fā)酵設(shè)備與發(fā)酵工藝結(jié)合不緊密而造成的發(fā)酵溫濕度不穩(wěn)定、翻拌難、缺氧、品質(zhì)適度不統(tǒng)一等問題，設(shè)計了全新的工夫紅茶一體化全自動發(fā)酵機。對發(fā)酵結(jié)構(gòu)、翻動裝置和加熱等關(guān)鍵部件進行了設(shè)計，確定了發(fā)酵機的總體設(shè)計方案和關(guān)鍵參數(shù)值。所設(shè)計的全自動發(fā)酵機能夠很好的滿足優(yōu)質(zhì)紅茶的發(fā)酵工藝技術(shù)要求，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等突出優(yōu)點，可進行廣泛的推廣和應(yīng)用。

工夫紅茶；發(fā)酵機；設(shè)計

1　引言

紅茶的各種機械化生產(chǎn)已經(jīng)較為普遍，發(fā)酵是形成其品質(zhì)特征的關(guān)鍵工序。傳統(tǒng)紅茶發(fā)酵方法設(shè)備簡易，設(shè)備成本低，受外界環(huán)境因素影響大，一般采取人工加溫及加濕氣來達(dá)到發(fā)酵的目的，這種人工操作的發(fā)酵方式發(fā)酵時間長，效率低，發(fā)酵均勻度相對不好掌控，嚴(yán)重影響茶葉品質(zhì)。而采用單機箱式發(fā)酵設(shè)備進行發(fā)酵雖然可以達(dá)到自動控制溫度和濕度，但是自動化程度相對仍然比較低，上料、出料均靠人工操作，單機箱式發(fā)酵設(shè)備產(chǎn)量也不高，工作效率相對較低［1］。針對上述問題，設(shè)計紅茶一體化全自動發(fā)酵機對于提高紅茶品質(zhì)和促進紅茶生產(chǎn)自動化程度都有重要意義。

2　整機結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1整機結(jié)構(gòu)

紅茶自動發(fā)酵機由發(fā)酵房和電加熱蒸汽發(fā)生裝置、超聲波霧化裝置、茶葉提升機、正反輸送機、輸送裝置、控制裝置等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中發(fā)酵房包含傳動裝置、進料門、主體框架、傳動鏈條、支撐網(wǎng)帶、撥料刷子、傳動電機，發(fā)酵場所環(huán)境控制裝置、排濕風(fēng)機、排氣口、霧氣管、蒸汽管以及隨智能化控制柜。

圖1　全自動發(fā)酵機結(jié)構(gòu)示意圖

2.2工作原理

紅茶發(fā)酵的三要素：溫度、相對濕度和充足的氧氣［2］。生產(chǎn)時一般要求溫度控制在23～29℃，發(fā)酵環(huán)境相對濕度設(shè)定在95%以上，同時應(yīng)保持發(fā)酵室內(nèi)空氣流通以提供充足的氧氣。紅茶自動發(fā)酵機的設(shè)計就是在充分考慮以上三要素的基礎(chǔ)上［3］，配置加溫、加濕設(shè)備和進出氣口。針對目前紅茶發(fā)酵設(shè)備與發(fā)酵工藝結(jié)合不緊密而造成的發(fā)酵溫濕度不穩(wěn)定、難翻拌、缺氧、品質(zhì)適度不統(tǒng)一等問題，設(shè)計了這種工夫紅茶自動化發(fā)酵機，對發(fā)酵結(jié)構(gòu)、翻動裝置和加熱等裝置進行了設(shè)計，設(shè)備中各電器元件的工作狀態(tài)全部由智能化控制柜中的PLC控制系統(tǒng)控制，實現(xiàn)自動上料、出料，自動控制發(fā)酵時間和濕溫度，并自動供氧排氧，達(dá)到快速發(fā)酵目的，保證茶葉發(fā)酵均勻性，提高紅茶發(fā)酵品質(zhì)。

3　關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1發(fā)酵房

發(fā)酵房設(shè)有兩個進料口和兩個出料口。兩個進料口設(shè)于發(fā)酵房的頂部，兩個出料口分別設(shè)于發(fā)酵房的前側(cè)壁的下方和后側(cè)壁的下方。茶葉提升機的出料端延伸至正反輸送機的上方，茶葉提升機將茶葉從地面?zhèn)魉椭琳摧斔蜋C內(nèi)。料槽的兩端分別設(shè)有一個出料孔，料槽兩端的出料孔分別對接有一勻堆裝置。勻堆裝置與控制裝置連接。勻堆裝置包括進料槽、勻葉器和可傳輸茶葉的輸送帶，輸送帶和勻葉器裝設(shè)于進料槽內(nèi)，勻葉器連接有驅(qū)動電機，勻葉器可上下調(diào)整高度，輸送帶可調(diào)整松緊程度。進料槽的尾端設(shè)有出葉口，兩個勻堆裝置的出葉口分別對接發(fā)酵房的兩個進料口。

發(fā)酵房頂部設(shè)有進風(fēng)口和排風(fēng)口，排風(fēng)口上有氣動排風(fēng)裝置，該氣動排風(fēng)裝置包括排風(fēng)扇、氣缸、聯(lián)動桿和氣門，排風(fēng)扇置于該排風(fēng)口內(nèi)，氣門可繞軸旋轉(zhuǎn)地置于排風(fēng)口的頂部，聯(lián)動桿的一端與氣門固定連接，聯(lián)動桿的另一端與氣缸活動連接，氣缸與控制裝置連接。控制裝置還連接有兩個用于檢測茶葉是否鋪滿網(wǎng)帶輸送裝置的紅外傳感裝置，兩個紅外傳感裝置設(shè)于兩組網(wǎng)帶輸送裝置的第三網(wǎng)帶輸送機的出料端。

發(fā)酵房頂部設(shè)有八個進風(fēng)口，八個進風(fēng)口上分別裝設(shè)有進風(fēng)裝置，進風(fēng)裝置與控制裝置連接，每個進風(fēng)口安裝一個進風(fēng)扇。發(fā)酵房頂部設(shè)有兩個排風(fēng)口，兩個排風(fēng)口上分別設(shè)有氣動排風(fēng)裝置，該氣動排風(fēng)裝置包括排風(fēng)扇、氣缸、聯(lián)動桿和氣門，排風(fēng)扇置于該排風(fēng)口內(nèi)，氣門可繞軸旋轉(zhuǎn)地置于排風(fēng)口的頂部，聯(lián)動桿的一端與氣門固定連接，聯(lián)動桿的另一端與氣缸活動連接，該氣缸與控制裝置連接。設(shè)有八個進風(fēng)口，可使發(fā)酵房內(nèi)部各角落的溫濕度更均勻；安裝兩個氣動排風(fēng)裝置，當(dāng)氣門打開，排風(fēng)扇會自動工作，并根據(jù)設(shè)定好的時間進行換氧，且每隔一定時間換一次氧，保證茶葉發(fā)酵過程不會因為缺氧影響品質(zhì)。

3.2蒸汽發(fā)生裝置

電加熱蒸汽發(fā)生裝置包括電加熱蒸汽發(fā)生器和進氣管，進氣管設(shè)有復(fù)數(shù)個出氣孔，進氣管置于發(fā)酵房內(nèi)的底部。

3.3超聲波霧化裝置

超聲波霧化裝置用于增加發(fā)酵房內(nèi)濕度，該超聲波霧化裝置與控制裝置連接，超聲波霧化裝置連接有進霧管，進霧管上設(shè)有復(fù)數(shù)個進霧孔，進霧管設(shè)于發(fā)酵房內(nèi)的頂部。

超聲波霧化裝置連接有進霧管，超聲波霧化裝置根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件進行選型，其含有超聲波霧化器和風(fēng)扇，超聲波霧化裝置可產(chǎn)生冷霧，該進霧管上設(shè)有復(fù)數(shù)個進霧孔，進霧管設(shè)于發(fā)酵房內(nèi)的頂部。電加熱蒸汽發(fā)生裝置包括電加熱蒸汽發(fā)生器和進氣管，進氣管設(shè)有復(fù)數(shù)個出氣孔，該進氣管設(shè)于發(fā)酵房內(nèi)的底部。電加熱蒸汽發(fā)生裝置產(chǎn)生的熱蒸汽可控制該自動發(fā)酵機組內(nèi)部的溫度，超聲波霧化裝置產(chǎn)生的冷霧主要控制自動發(fā)酵機組內(nèi)部的濕度，把熱蒸汽和冷霧綜合在一起，達(dá)到平衡作用，達(dá)到溫度和濕度穩(wěn)定的控制效果，溫度和濕度可根據(jù)不同茶葉來進行調(diào)節(jié)。

3.4正反輸送機

正反輸送機可正向傳輸茶葉和可反向傳輸茶葉。正反輸送機包括第一料槽、輸送帶和用于驅(qū)動送帶的電機，輸送帶裝設(shè)于料槽內(nèi)，料槽下是三層式發(fā)酵架，可實現(xiàn)不同批次進料。正反輸送機兩端的出料孔分別對接勻堆裝置，勻堆裝置與控制裝置連接，勻堆裝置包括進料槽、勻葉器和可傳輸茶葉的輸送帶，輸送帶和勻葉器裝設(shè)于進料槽內(nèi)，勻葉器連接有驅(qū)動電機，進料槽的尾端設(shè)有出葉口，兩個勻堆裝置的出葉口分別與發(fā)酵房的兩個進料口相連。

3.5輸送裝置

輸送裝置包括兩組網(wǎng)帶輸送裝置，兩組網(wǎng)帶輸送裝置分別置于發(fā)酵房內(nèi)的前后兩側(cè)。每組網(wǎng)帶輸送裝置包括三臺網(wǎng)帶輸送機，三臺網(wǎng)帶輸送機包括第一網(wǎng)帶輸送機、第二網(wǎng)帶輸送機和第三網(wǎng)帶輸送機，該第一網(wǎng)帶輸送機的進料端與對應(yīng)的進料口相連，第一網(wǎng)帶輸送機置于發(fā)酵房內(nèi)的上方。第二網(wǎng)帶輸送機裝置于第一網(wǎng)帶輸送機的下方，第二網(wǎng)帶輸送機的進料端伸出第一網(wǎng)帶輸送機的出料端，第二網(wǎng)帶輸送機的進料端承接第一網(wǎng)帶輸送機的出料端落下的茶葉。第三網(wǎng)帶輸送機裝置于第二網(wǎng)帶輸送機的下方，第三網(wǎng)帶輸送機的進料端伸出第二網(wǎng)帶輸送機的出料端，第三網(wǎng)帶輸送機的進料端承接第二網(wǎng)帶輸送機的出料端落下的茶葉。

3.6紅外傳感裝置

控制裝置還連接有兩個用于檢測茶葉是否鋪滿網(wǎng)帶輸送裝置的紅外傳感裝置，兩個紅外傳感裝置置于兩組網(wǎng)帶輸送裝置的第三網(wǎng)帶輸送機的出料端。紅外傳感裝置檢測到第三網(wǎng)帶輸送機的出料端鋪滿茶葉后，即向控制裝置發(fā)出信號，控制裝置停止該組網(wǎng)帶輸送裝置運作。控制裝置還連接有用于檢測發(fā)酵房內(nèi)溫度和濕度的傳感器。控制裝置設(shè)有顯示面板，顯示面板可顯示發(fā)酵房內(nèi)的溫度、濕度等參數(shù)。

4　設(shè)計內(nèi)容

紅茶一體化自動發(fā)酵機有效利用傳動原理、支撐預(yù)算，并采用PLC控制原理對傳動部件、發(fā)酵場所控制部件、監(jiān)測部件進行實時控制、反饋和調(diào)整，實現(xiàn)紅茶加工全程自動化。

4.1采用部件結(jié)構(gòu)

紅茶一體化全自動發(fā)酵機三維機構(gòu)如圖2所示，整機包括發(fā)酵提升機、發(fā)酵分組跑車、發(fā)酵勻料平輸、發(fā)酵房、發(fā)酵出料輸送機、超聲波霧化器和電加熱蒸汽機、智能化控制柜，包含各個部件、設(shè)備之間的電纜等七大部分組成。

圖2　紅茶一體化全自動發(fā)酵機三維結(jié)構(gòu)圖

4.2設(shè)計說明分析

4.2.1發(fā)酵提升機

發(fā)酵提升機采用PVC材質(zhì)輸送皮帶、滾筒帶動、皮帶支撐板、不銹鋼折板鎖膠條攔邊、不銹鋼折板擋邊、調(diào)節(jié)茶葉量的調(diào)速撥料器等設(shè)計。發(fā)酵提升機整體設(shè)計有效的將茶葉有序從地面位置提升到較高工作位置，避免了茶葉落料、卡停現(xiàn)象。

4.2.2發(fā)酵分組跑車

發(fā)酵分組跑車采用PVC材質(zhì)輸送皮帶、滾筒帶動、皮帶支撐板、不銹鋼折板鎖膠條攔邊、輸送機安裝上滾輪、移動電機，移動電機的正反轉(zhuǎn)、皮帶電機的正反轉(zhuǎn)加上多個限位開關(guān)組成了行程可控的發(fā)酵分組跑車，將承接發(fā)酵提升機的茶葉進行分組作業(yè)。

4.2.3發(fā)酵勻料平輸

發(fā)酵勻料平輸采用PVC材質(zhì)輸送皮帶、滾筒帶動、皮帶支撐板、不銹鋼折板鎖膠條攔邊、調(diào)節(jié)茶葉量的調(diào)速撥料器，組成了發(fā)酵勻料平輸，將承接發(fā)酵分組跑車的茶葉進行勻料作業(yè)，確保的發(fā)酵茶葉厚度的一致性。

4.2.4發(fā)酵房

發(fā)酵房外板采用的防濕、防腐蝕的蝸封板、不銹鋼u槽拼裝，要求各位位置不能漏水，內(nèi)部結(jié)構(gòu)見以下分析。

4.2.5發(fā)酵出料輸送機

發(fā)酵出料輸送機采用PVC材質(zhì)輸送皮帶、滾筒帶動、皮帶支撐板、不銹鋼折板鎖膠條攔邊，組成了發(fā)酵出料輸送機，將承接發(fā)酵房中已經(jīng)發(fā)酵完成茶葉的出料作業(yè)。

4.2.6發(fā)酵場所環(huán)境控制裝置

發(fā)酵場所環(huán)境控制裝置，超聲波霧化器和電加熱蒸汽機分別接上霧氣管，其中霧氣管進行等分位置的開孔處理和蒸汽管，其中蒸汽管進行等分位置的開孔處理，配合排濕風(fēng)機和排氣口，組成了發(fā)酵場所環(huán)境控制裝置，控制發(fā)酵房中的溫度、濕度，保證著茶葉的有氧發(fā)酵。

4.2.7傳動裝置

傳動裝置由進料門、主體框架、傳動鏈條、支撐網(wǎng)帶、撥料刷子、傳動電機組成，輸送發(fā)酵勻料平輸?shù)牟枞~。裝置進行茶葉布料，支撐網(wǎng)帶末端安有的多位置物料傳感器，當(dāng)檢測到茶葉時傳動裝置預(yù)采取停止指令，發(fā)酵提升機投料停止工作，已布置的茶葉進行發(fā)酵作業(yè)。

4.3試驗結(jié)果分析

設(shè)備采用以發(fā)酵空間（4m×2.4m×2.4m）進行綜合分析，以設(shè)備工作1個小時為例，耗水量。輔助配件熱電偶、溫度測試儀、壓力監(jiān)控原件、PLC控制系統(tǒng)等。

原來水量：M原來=20kg；

空間容積：V空間=4m×2.4m×2.4m=23.04m2；

水蒸氣密度：ρ=0.4kg/m3（在標(biāo)準(zhǔn)氣壓、35℃條件下）；

發(fā)酵完地板管收集冷凝水質(zhì)量：M凝=7.8kg；

桶內(nèi)水剩余：M余=2.07kg

懸浮于發(fā)酵環(huán)境中的水蒸氣質(zhì)量

M=M原來-M凝-M余=20kg-9.3kg-2.07kg=8.63kg

懸浮于發(fā)酵環(huán)境中的水蒸氣體積

V=M/ρ=8.63kg/0.4kg/m3=21.56 m3

發(fā)酵環(huán)境中水蒸氣比例

η=V/V空間=21.56 m3/23.04 m3=0.936（即：93.6%）

試驗結(jié)果得到發(fā)酵環(huán)境中，水蒸氣在溫度35℃的比例為93.6%，符合茶葉的發(fā)酵環(huán)境。

5　結(jié)　論

工夫紅茶一體化全自動發(fā)酵機自動化程度較高，可實現(xiàn)自動上料、出料。采用多層次網(wǎng)帶輸送茶葉，增加發(fā)酵機的發(fā)酵產(chǎn)量，提高工作效率。可自動控制發(fā)酵時間和溫濕度，且能自動供氧排氧，塑造良好的發(fā)酵環(huán)境，從而達(dá)到快速發(fā)酵目的，保證茶葉發(fā)酵均勻性，提高紅茶發(fā)酵品質(zhì)，能夠很好的滿足優(yōu)質(zhì)紅茶的發(fā)酵工藝技術(shù)要求，并且該紅茶發(fā)酵機具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等突出優(yōu)點，可進行廣泛的推廣和應(yīng)用。

［1］權(quán)啟愛.條形紅茶加工設(shè)備及其使用技術(shù)［J］.中國茶葉，2011，33 （6）：10-12.

［2］方世輝，王先鋒，汪惜生.不同發(fā)酵溫度和程度對工夫紅茶品質(zhì)的影響［J］.中國茶葉加工，2004（2）：19-21.

［3］林國軒，劉玉芳，郭春雨.我國工夫紅茶發(fā)酵適度時間監(jiān)控的研究進展［J］.大眾科技，2012（6）：125-127.

國家“十二五”科技支撐計劃項目（2014BAD06B06）“智能化節(jié)能茶葉采摘與加工關(guān)鍵技術(shù)裝備研制”、福建省科技重大專項項目（2015N3004）資助。

陳加友，碩士學(xué)位，高級講師，維修電工高級技師、集美大學(xué)客座教授、校外碩士生導(dǎo)師，主要從事機電和茶葉的教育教學(xué)工作。