茶葉烘干除渣系統研究與設計

李震，楊碩林，喬文德

（1.250100 山東省 濟南市 山東農業工程學院；2.250100 山東省 濟南市 山東省農業機械科學研究院）

0 引言

農業新時代背景下，國家大力推動鄉村振興戰略，倒逼農業技術優化升級。中國是茶樹原產地，也是人類最早發現、利用、種植、加工茶葉、傳播制茶技術及茶文化的文明古國。我國茶葉研究發展速度較快，其制作過程殺青、做形、攤青、萎凋、做青、發酵和烘干，其中烘干是茶葉制作的一項重要工藝。在茶葉加工生產過程中，為了便于茶葉的貯藏運輸，往往需要對茶葉進行烘干處理，以除去茶葉中的水分，減少茶葉細胞中的水分含量，降低其活性并除去細胞膜的半透性，保證后續加工能正常、順利地進行[1-2]。

我國地域廣闊，人口種族分布因區域而有所差異，各個區域人群對于茶葉的品質需求各有差別。對于茶葉烘干操作而言，不同的烘干設備技術產出的茶葉含水率會有質上的差距，這種不同點會歸于最后產品的銷售對象需求，所以對于茶葉烘干技術的研究是提升茶葉不同層次需求的關鍵點。現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進行烘焙，但是這不僅對操作人員的手藝提出極高要求，同時無法完成大批量的生產，烘干效率低，勞動強度大，而且隨著國家對各類產業運行提出低碳環保的新要求，這種方式會逐漸淘汰；另一種是利用機器烘干，提高茶葉烘干的效率。目前一般采用茶葉烘干機對茶葉進行烘干處理，茶葉烘干機烘干時為了保證茶葉受熱的均勻性，往往需要對茶葉進行翻炒或攪拌，由于烘干狀態下的茶葉具有易脆性，這必然會產生茶渣，如果這種含有茶渣的茶葉進入后續工序，后續工序沒有涉及去渣工藝，會直接影響茶葉的品質。

因為茶渣主要產生在烘干工序，如果單獨再另設一道工序進行除去渣，成本上會有增加，生產效率也會降低，結合機電系統設計一體化設計方法，來構思設計一種集烘干效率高、勞動強度小、自動除渣的裝置來解決上述問題[3]。

1 系統分析

1.1 整體分析

茶葉烘干設備主要包括智能溫控系統以及配套設置的執行結構、輔助機構。從原理來講，對茶葉進行烘干處理就是通過溫度控制實現對茶葉水分的去除過程，溫度控制的全面性是烘干茶葉品質的關鍵，需要對內部茶葉進行翻攪，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。因為茶葉在不同的受熱溫度時間下，茶葉內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，現在茶葉烘干設備的能源供應多為電力系統，通過電力對烘干設備內的電熱絲進行加熱，通過熱輻射對攪拌、翻整狀態的茶葉進行加熱去水分，隨著烘干倉的熱量堆積，很大部分熱量都會通過烘干倉板熱傳導或者與外界空氣形成換熱對流，電熱絲熱量利用率比較低。加上攪拌設備持續不斷的轉動，也有能量消耗。

以茶葉烘干設備的節能化、環保化、集成化為目標，為了降低烘干成本、追求高的烘干效率、高的熱利用率，要設法提高烘干設備的容積，在有限空間內，使得一次溫控烘干過程產出最大限度容量茶葉噸位[4]。目前，茶葉烘干設備都已經向具備兩者效果（受熱均勻性和提升烘干效率）融合導向發展來設計：（1）烘干的熱量一般來源于布置的電熱絲，導熱電絲一般布置在烘干筒體的外壁表面，先熱傳導到筒體壁面，再通過壁面將熱量傳導或者輻射到茶葉上；（2）為提高烘干效率，上一工序茶葉在立體設置的筒式體內依靠重力輔助作用，流水式輸入與輸出，以此循環，在立式筒體頂部設置進料口，下端設置有專門的開關控制的閥門。一方面控制閥門的開與關；另一方面控制閥門的開關截面大小，來控制流量，保證內部當批次茶葉基本的烘干時間。需要說明的是：在烘干期間，為了保證受熱均勻性，經常會在筒體內中心位置設置旋轉軸進行攪拌，使茶葉大大增加與烘干倉內熱流的接觸面積[5-6]。

1.2 缺陷分析

結合產業發展對茶葉烘干設備提出的新要求，在烘干期間，為保證受熱均勻性，針對以上茶葉烘干設備的整體分析，從單結構模塊進行優化提高分析入手。首先，烘干設備整體經常會在筒體內中心位置設置旋轉軸對茶葉進行翻炒或攪拌，這個過程中，雖然會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，導致快速干裂，加之攪拌力的作用，必然會導致部分茶葉的破碎而產生茶渣，茶渣隨著高品質的茶葉一起流出到下一工序，最后必然會在本質上影響茶葉的品質；其次，茶葉烘干設備的內部翻攪過程中，茶葉雖然不斷接受熱量，但其實絕大部分熱量都會通過筒體外壁面導出到空氣中或者被烘干茶葉帶出筒體內部，造成熱源的快速流失，增加電量成本。設置旋轉軸對茶葉進行翻炒或攪拌，如果攪拌齒的形狀、材質不合適，會加速烘干茶葉的破碎，影響茶葉的品質。另外，攪拌齒被破壞后不易更換；雖然烘干筒內茶葉被除去了水分，但是由于筒體烘干設備一般為近似密封體，內部水分從茶葉內部蒸發出來，之后一直在筒體內部循環，其中也會一部分重新回到茶葉內部，造成烘干操作的無用做功。

1.3 優化分析

通過以上分析出的問題，設計茶葉烘干裝置時，進行分離化單模塊解決和模塊間融合設計，在滿足各項需求效果的同時，整體的結合也能達到設備整體的需求化目標。其中，對于怎么去除茶渣問題的解決，采取以下方式：在中心筒外部連接有抽取管道，中心管上部一側設有回風管，回風管一側設有導流管，導流管另一端與內筒連通，除渣后的熱風通過回風管和導流管再次流入內筒，實現了對茶葉的再次烘干，充分利用了能源，增強了烘干效率。中心管下端設有濾網，避免了茶渣再次通過回風管流入內筒中，增強了除渣效果。

采取以下方式去除烘干倉內水分：回風管內部與導流管交叉處設有若干彎折狀的除濕板，回風管一側設有積水倉，積水倉底部設有出水閥，回風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，避免了濕氣再次進入烘干裝置內部，保證了茶葉的烘干效果。除濕板上設有若干網孔，便于熱風的流通，同一除濕板的上下網孔交錯布置，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：外筒外壁一側設有保溫棉，保溫棉對烘干裝置保溫，防止熱源的快速流失。筒體頂板上部一側設有觀察窗，觀察窗一側設有第2 把手，便于啟閉觀察窗。觀察窗由透明材料制成，便于觀察內筒內部的烘干情況，實時觀測來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：設置上下連接的攪拌體結構。第一攪拌葉下部一側設有底座，底座固定地安裝在第一轉軸上，底座為錐形，起到了便于出料的效果。第一攪拌葉上部設有若干第二攪拌葉，第二攪拌葉設置于第一轉軸的上部，對內筒上部的茶葉進行攪拌，保證了茶葉攪拌的效果，從而保證了茶葉受熱的均勻性。第一轉軸外部一側通過鍵條設置有套筒，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上，連接盤下部一側設有第二轉軸，第一轉軸上端設有連接孔，第二轉軸通過鍵條安裝在連接孔內部。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 優化設計

2.1 具體結構

如圖1 所示，優化設計后設備的整體組成單元包括烘干裝置、攪拌裝置、除渣裝置（見圖1）。

（1）烘干裝置包括外筒、設置在外筒內部的內筒。外筒、內筒間設有電熱絲，利用電熱絲對內筒加熱，從而實現了茶葉的烘干。外筒上部一側連接有頂板，為了便于集氣，頂板為錐臺形，頂板上設有進料口，進料口上設有進料門，進料門上部設有第一把手。

（2）攪拌裝置包括第一攪拌葉，內筒軸線處設有第一轉軸，第一攪拌葉設置于第一轉軸的底部，對內筒下部的茶葉進行攪拌。外筒下部一側設有出料口，出料口一側設有堵料板，為了便于堵料板的抽拉，堵料板一側設有指孔；一側還設有若干用來支撐烘干裝置的第一支腿。外筒下部設有電機，電機輸出軸與第一轉軸固定連接。電機通過第一轉軸帶動第一攪拌葉和第二攪拌葉轉動，實現了茶葉烘干時攪拌，保證了茶葉受熱的均勻性。

（3）除渣裝置設置于烘干裝置一側。除渣裝置包括圓柱筒、固定安裝在圓柱筒下部的錐筒、設置于圓柱筒一側且與圓柱筒內壁相切的進風管、設置于圓柱筒中心處的中心管。進風管通過出風管與頂板連接，為了增強熱風的流通性，進風管和出風管之間連接有風機，風機將內筒中的茶渣吸入除渣裝置的圓柱筒中，含渣熱風在圓柱筒內壁向下做螺旋運動，茶渣被圓柱筒和錐筒捕捉并落入錐筒底部，熱風則通過中心管排出，實現了除渣。圓柱筒一側設有若干用來支撐除渣裝置的第二支腿，裝置下部設有卸料閥，通過卸料閥將茶渣卸出。

圖1 整體裝配結構圖Fig.1 Overall assembly structure diagram

外筒外壁一側設有保溫棉，保溫棉對烘干裝置保溫，防止熱源的快速流失。頂板上部一側設有觀察窗，觀察窗一側設有第二把手，便于啟閉觀察窗，觀察窗由透明材料制成，便于觀察內筒內部的烘干情況。第一攪拌葉下部一側設有底座，底座固定地安裝在第一轉軸上，底座為錐形，起到了便于出料的效果。第一攪拌葉上部設有若干第二攪拌葉，第二攪拌葉設置于第一轉軸的上部，對內筒上部的茶葉進行攪拌，保證了茶葉攪拌的效果，從而保證了茶葉受熱的均勻性。第一轉軸外部一側通過鍵條設置有套筒，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上，連接盤下部一側設有第二轉軸，第一轉軸上端設有連接孔，第二轉軸通過鍵條安裝在連接孔內部。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。中心管上部一側設有回風管，回風管一側設有導流管，導流管另一端與內筒連通，除渣后的熱風通過回風管和導流管再次流入內筒，實現了對茶葉的再次烘干，充分利用的能源，增強了烘干效率。回風管內部與導流管交叉處設有若干彎折狀的除濕板，回風管一側設有積水倉，積水倉底部設有出水閥，回風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，避免了濕氣再次進入烘干裝置內部，保證了茶葉的烘干效果。除濕板上設有若干網孔，便于熱風的流通，同一除濕板的上下網孔交錯布置，保證了除濕板的捕捉效果，提高了除濕板的除濕性能；中心管下端設有濾網，避免了茶渣再次通過回風管流入內筒中，增強了除渣效果。

2.2 技術效果

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、內筒間的電熱絲對內筒加熱，進而對茶葉加熱，再利用第一攪拌葉、第二攪拌葉對茶葉進行攪拌，保證了茶葉的受熱均勻性，再通過出風管一端的風機把茶渣吸入除渣裝置中，達到除渣效果，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；在熱量利用的過程中，中心管上部一側設有回風管，回風管一側設有導流管，導流管另一端與內筒連通，除渣后的熱風通過回風管和導流管再次流入內筒，實現了對茶葉的再次烘干，充分利用能源，增強了烘干效率。

3 結論

設計了茶葉烘干除渣裝置，并對裝置分結構模塊進行結構優化，針對如何去除茶渣問題、如何去除烘干倉內水分問題、如何提高茶葉烘干效率問題以及如何提高茶葉受熱效率問題等一系列現存問題，在現有設備基本流程（茶葉倒入烘干裝置中，利用外筒、內筒間的電熱絲對內筒加熱，進而對茶葉加熱，再利用第一攪拌葉、第二攪拌葉對茶葉進行攪拌等）基礎上，再通過出風管一端的風機把茶渣吸入除渣裝置中，達到除渣效果，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；在熱量利用的過程中，中心管上部一側設有回風管，回風管一側設有導流管，導流管另一端與內筒連通，除渣后的熱風通過回風管和導流管再次流入內筒，實現了對茶葉的再次烘干，充分利用能源，增強了烘干效率。總體達到除渣效果，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。