連續(xù)式紅茶發(fā)酵機的設計

宋魯彬，賈厚振，齊自成，張琦峰，崔秀峰，李玉勝*

(1.山東省果樹研究所，山東泰安 271000；2.山東省農業(yè)機械科學研究院；3.山東省果茶技術推廣站)

發(fā)酵是紅茶加工中最關鍵環(huán)節(jié)，技術難度大。必要溫度是保證正常發(fā)酵的關鍵，目前最常用的保溫方法是堆積保溫。而堆積往往造成發(fā)酵堆內部空氣流通不暢，堆內外溫度、氧氣濃度等都不一致，如果不及時翻堆，則會造成內堆發(fā)酵葉因缺少氧氣而發(fā)酵進程受阻，影響紅茶品質；但翻堆又會造成堆積溫度降低從而影響發(fā)酵，也增加了勞動力投入。

目前國內較為先進的發(fā)酵方式是采用能夠保持較恒定溫濕度發(fā)酵箱或發(fā)酵房輔助發(fā)酵，同時采用輔助通氣的方式滿足發(fā)酵堆的耗氧需求。采用發(fā)酵設備輔助發(fā)酵時，也需要采用堆積的方法以減少溫度散失。一般的發(fā)酵設備中揉捻葉在發(fā)酵箱內靜置不動，通氣及控溫裝置在發(fā)酵堆外，因此，發(fā)酵堆內外溫濕度以及氧氣供應差異大，發(fā)酵堆溫濕度反饋及精度控制誤差較大；同時，設備運行能耗相對固定，可調節(jié)性較低，工作的連續(xù)性、方便性及自動化程度較低，鮮葉進出料及翻堆耗費較多人工。

本文設計了一種連續(xù)式自動化紅茶發(fā)酵機，其發(fā)酵室由相互獨立式子發(fā)酵室組合而成，每個子發(fā)酵室底設計成平面與豎立狀態(tài)可相互轉換結構，通過子發(fā)酵室底形態(tài)的轉換，發(fā)酵葉可在子發(fā)酵室內停留或下落，發(fā)酵葉在下落的過程中完成翻堆。同時，將溫濕度控制裝置放置到每個子發(fā)酵室內，實現(xiàn)了發(fā)酵機的翻板驅動和溫濕度的自動化控制。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構

本文設計的連續(xù)式紅茶發(fā)酵機分為機械和自動化兩部分。機械部分實現(xiàn)了該發(fā)酵機具備的基本功能，自動化部分是在機械設計的基礎上，增添了傳感和數(shù)據(jù)處理控制功能。

連續(xù)式紅茶發(fā)酵機主要結構有發(fā)酵室、驅動機構、濕熱空氣生成裝置及自動化控制系統(tǒng)組成。發(fā)酵室由多個子發(fā)酵室層垂直疊加組合而成，揉捻葉在發(fā)酵室中發(fā)酵；驅動機構包括電機、轉軸和翻板、翻板驅動機構，用于控制子發(fā)酵室底姿態(tài)；濕熱空氣生成裝置包括濕氣發(fā)生器、加溫裝置、鼓風機，用于控制子發(fā)酵室內溫濕度及空氣流通；自動化控制系統(tǒng)用于按照預設的發(fā)酵程序操控發(fā)酵機完成相關作業(yè)。整機結構如圖1所示,整機技術參考參數(shù)如表1所示。

表1 整機技術參考參數(shù)

圖1 連續(xù)式紅茶發(fā)酵機結構圖

1.2 工作原理

如圖2所示，多個子發(fā)酵室上下堆疊交叉放置。初始狀態(tài)下，各個子發(fā)酵室底的翻板平面排列，形成承托式姿態(tài)。在第一級子發(fā)酵室中加入揉捻好的待發(fā)酵葉進行發(fā)酵，第一級子發(fā)酵室內的發(fā)酵葉發(fā)酵到設定時間后，翻板驅動機構驅動該子發(fā)酵室底的翻板豎立排列，呈下茶式姿態(tài)，紅茶發(fā)酵葉在重力作用下落入第二級子發(fā)酵室中，完成翻堆并在第二級子發(fā)酵室中繼續(xù)發(fā)酵；第一級子發(fā)酵室在發(fā)酵葉落下后，底部恢復成承托式姿態(tài)，接受新的揉捻葉進行發(fā)酵。第二級子發(fā)酵室完成該過程的發(fā)酵后，底部轉變?yōu)橄虏枋阶藨B(tài)，發(fā)酵葉繼續(xù)下滑入第三級子發(fā)酵室繼續(xù)發(fā)酵；第二級子發(fā)酵室底完成發(fā)酵葉下落后恢復成承托式姿態(tài)，繼續(xù)接受第一級子發(fā)酵室落下的發(fā)酵葉進行發(fā)酵。發(fā)酵葉在各子發(fā)酵室內依次發(fā)酵，通過各子發(fā)酵室底的承托式姿態(tài)和下茶式姿態(tài)依次變化，最終通過最下端子發(fā)酵室底部滑落，完成整個發(fā)酵過程。由于各子發(fā)酵室為相互獨立的狀態(tài)，每個子發(fā)酵室的溫濕度通氣狀況等都可獨立設置，更符合紅茶發(fā)酵時不同時間段對溫濕度的需求。

圖2 工作原理圖

2 關鍵部件的設計

2.1 發(fā)酵室

發(fā)酵室由多個自上而下堆疊設置的子發(fā)酵室構成，子發(fā)酵室的四周密閉，上端開口，下端由翻板排列構成發(fā)酵室底，內部形成發(fā)酵腔。各個子發(fā)酵室的長度均為L，寬度均為B，則使L=B，以利于多個子發(fā)酵室上下堆疊時交叉放置。子發(fā)酵室交叉的放置方式，有利于發(fā)酵葉下落的同時，達到均勻翻堆的效果。兩相鄰子發(fā)酵室中的轉軸呈十字交叉設置，即如果上一個子發(fā)酵室中的轉軸沿左右方向橫向水平設置，那位于其下方的下一個子發(fā)酵室中的轉軸則是沿前后方向橫向水平設置。通過交叉設置，使得每一個發(fā)酵室中發(fā)酵的紅茶葉片在下落時通過縱橫交錯的翻板可以撒的均勻，進一步提高了紅茶發(fā)酵時的均勻度。

2.2 轉軸和翻板

發(fā)酵腔內等間距間隔設置有若干轉軸，每個轉軸從一個相應的翻板平面長面中間穿過，構成翻板長面的中軸，轉軸兩端分別通過軸承水平轉動安裝于子發(fā)酵室壁的旋轉接頭上，旋轉接頭連接濕氣進氣管，位置位于子發(fā)酵室壁下部。結構如圖3所示。

圖3 轉軸和翻板結構圖

轉軸為中空管，軸管內布置有絕緣的電加熱絲，電加熱絲連接于電源。翻板內部密閉設置有氣室，氣室通過轉軸上的氣孔與轉軸中空孔相連，翻板上端面設置有若干與氣室相連通的出氣孔，出氣孔內襯網柵，防止發(fā)酵葉掉入氣室。

2.3 翻板驅動機構

翻板驅動機構包括安裝于子發(fā)酵室上的伸縮桿，安裝于轉軸頭端的齒輪，水平安裝于子發(fā)酵室上且與轉軸的軸線相垂直的導軌以及水平滑動安裝于導軌上的齒條。其結構如圖4所示。

圖4 翻板驅動機構結構圖

翻板驅動機構用于驅動子發(fā)酵室中的各個轉軸同步旋轉，使翻板由水平狀態(tài)轉動至豎直狀態(tài)。子發(fā)酵室上的翻板驅動機構驅動子發(fā)酵室中的各個轉軸轉動至翻板處于水平狀態(tài)，此時子發(fā)酵室底為承托式姿態(tài)；翻板驅動機構驅動該子發(fā)酵室中的翻板轉動至豎直狀態(tài)時，此時子發(fā)酵室底為下茶式姿態(tài)。

翻板驅動機構的各個齒輪與齒條相嚙合，伸縮桿的活塞桿頭端與齒條相連接，當伸縮桿全部縮回時，翻板處于水平狀態(tài)，當伸縮桿全部伸出時，轉軸轉動至翻板處于豎直狀態(tài)。伸縮桿驅動齒條橫向移動，齒條沿著導軌橫向移動時，驅動各個齒輪轉動，齒輪轉動時通過轉軸帶動翻版從水平狀態(tài)轉動至豎直狀態(tài)。該裝置結構簡單，運行可靠。

2.4 溫濕空氣生成裝置

溫濕氣生成裝置生成含有一定溫度濕度的空氣并將該溫濕空氣輸送至子發(fā)酵室中。溫濕空氣生成裝置包括加濕器、鼓風機、通氣管道、電加熱絲。通氣管道包括進氣管、旋轉接頭、轉軸中空孔、氣室、出氣孔。旋轉接頭的活動端與對應的轉軸相連，旋轉接頭的進氣端與轉軸中空孔相連通。旋轉接頭可以滿足轉軸在轉動的同時將濕空氣輸送至轉軸內部的內孔中，加濕器產生濕氣后，鼓風機將濕氣吹送入進氣管，進氣管的另一端與旋轉接頭連通，將濕氣送入轉軸中空孔并進入氣室，通過出氣孔進入發(fā)酵葉堆為發(fā)酵葉補充空氣和濕度。由于轉軸中空孔中設有電加熱絲，濕氣進入轉軸中空孔時，根據(jù)設定被加熱為發(fā)酵需要的溫度，保證發(fā)酵葉堆的堆溫。由于每個子發(fā)酵室的加熱絲以及通氣管道的后半部分相互獨立，使得子發(fā)酵室中的溫度和濕度可單獨設置，保證了每個子發(fā)酵室的溫濕度及氧氣的可控性。

2.5 控制系統(tǒng)

連續(xù)式紅茶發(fā)酵器的自動化控制系統(tǒng)包括數(shù)碼輸入面板、中樞控制模塊、溫濕氧調控裝置、數(shù)據(jù)接口等。可通過數(shù)碼輸入面板預設發(fā)酵程序并輸入到中樞控制模塊，包括子發(fā)酵室溫濕度及氧氣濃度，子發(fā)酵室的狀態(tài)持續(xù)時間，溫濕氧調控裝置和子發(fā)酵室動作觸發(fā)條件。中樞控制模塊包括信號接收器，中央數(shù)據(jù)處理器，信號發(fā)送器。溫濕度傳感器放置在子發(fā)酵室的發(fā)酵腔內。控制系統(tǒng)結構如圖5所示。

圖5 連續(xù)式紅茶發(fā)酵器自動化控制系統(tǒng)圖

中樞控制模塊控制子發(fā)酵室的通氣翻板順序聯(lián)動，子發(fā)酵室內部安裝環(huán)境探頭，環(huán)境探頭連接數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)線可插到環(huán)境分配控制器的數(shù)據(jù)接口；子發(fā)酵室安裝傳動裝置，中樞控制模塊控制傳動裝置運動，傳動裝置數(shù)據(jù)線可插到環(huán)境分配控制器的數(shù)據(jù)接口。中樞控制模塊控制溫濕氧調控裝置運動；溫濕氧調控裝置包括溫濕空氣發(fā)生器，溫濕空氣分配器，通氣管接頭；溫濕氧調控裝置的通氣管接頭可插拔通氣管道，通過通氣管道連接子發(fā)酵室及濕熱空氣生成裝置。

中央數(shù)據(jù)處理器處理預設的發(fā)酵程序數(shù)據(jù)，接受溫濕氧調控裝置的狀態(tài)信息，接受子發(fā)酵室的狀態(tài)信息以及環(huán)境探頭探測到的溫度、濕度、氧氣量以及發(fā)酵程度等數(shù)據(jù)信息，將運行命令發(fā)送到溫濕氧調控裝置，以及子發(fā)酵室，根據(jù)預設的發(fā)酵程序啟動溫濕氧調控裝置及子發(fā)酵室運行。

3 設備優(yōu)點

本發(fā)酵設備根據(jù)紅茶發(fā)酵過程對溫濕氧利用的基本原理，設計多層獨立的子發(fā)酵室及子發(fā)酵室的溫濕氧控制方式，從而在設備上達到紅茶發(fā)酵工藝優(yōu)化的要求；從節(jié)省勞動力及均勻翻堆需求，設計子發(fā)酵室底為翻板結構及子發(fā)酵室交叉堆疊的放置方式。本紅茶發(fā)酵設備具有以下優(yōu)點：

①設備的空間及能量利用率得到提高。發(fā)酵室由多個子發(fā)酵室構成，子發(fā)酵室具有獨立性，可根據(jù)發(fā)酵葉的量選擇子發(fā)酵室組合使用的數(shù)量，節(jié)省資源，靈活的調節(jié)生產。

②更符合紅茶發(fā)酵工藝要求。紅茶發(fā)酵的階段過程不同，對溫濕氧的需求也會不同，根據(jù)紅茶發(fā)酵時發(fā)酵葉物質變化階段及進一步變化的方向需求，調節(jié)溫濕氧供應，更有利于紅茶品質形成。本設備獨立的子發(fā)酵室可單獨設定溫濕度及空氣供應的量，必要時，可通氧氣或氮氣以調節(jié)發(fā)酵過程，保證發(fā)酵葉在發(fā)酵進程中處于適合該發(fā)酵時期的溫濕度及氧氣供應，有利于紅茶發(fā)酵。

③節(jié)省人力，提高生產效率。子發(fā)酵室底層設計為多組翻板式結構，發(fā)酵葉在上一子發(fā)酵室內發(fā)酵一定時間后，子發(fā)酵室翻板轉換為豎立狀態(tài)，發(fā)酵葉落入下一發(fā)酵室中。發(fā)酵葉從交叉疊放的子發(fā)酵室底下落時進行了翻堆混勻，發(fā)酵完成后從最下層子發(fā)酵室落出，實現(xiàn)了發(fā)酵過程的流式生產，降低了人工進料和出料的繁重的勞動。

④實現(xiàn)一鍵式發(fā)酵，降低紅茶發(fā)酵技術難度。可將先進的紅茶發(fā)酵技術預設入設備的自動化控制系統(tǒng)，通過設備的自動化控制系統(tǒng)即可控制紅茶發(fā)酵的進程，將原來紅茶發(fā)酵的復雜工藝控制工作簡化為簡單的進料工作，先進技術隨設備落地，減掉技術培訓過程，降低了技術推廣難度。