以碳基發熱涂層為熱源的新型炒茶機

秦燦珂 陳星蔓 張金瑤 吳慎將 李黨娟

(西安工業大學光電工程學院， 陜西 西安 710032)

中國傳統茶葉制作過程主要包括殺青和揉茶，殺青即炒茶，是指在翻炒鍋中使茶葉逐漸干燥的一種手法[1]，揉茶即在每次殺青后手工揉捻使茶葉的水分快速蒸發并塑形的過程，殺青和揉茶要根據不同的茶葉種類往復進行多次[2]。這種傳統手工制茶制作過程全憑炒茶師傅的經驗判斷，存在茶葉品質不一，灶火加熱不環保，衛生狀況不能保證，高溫可能對工人造成傷害等缺點[3]。

在1958年研制出的“58型鍋式殺青機”，經不斷改進定型為6CS84型殺青機后曾被廣泛應用[4]，這種機器雖然可以模擬人工炒茶，但是溫度不可控，次品率高。為了克服鍋式炒茶機的缺點，陳尊詩等[5]研制出了滾筒式茶葉殺青機，其在茶葉殺青機器中占據了大部分市場。微波茶葉殺青機是利用微波進行加熱[6]，具有加熱均勻且對茶葉損傷較小的優點，但其造價過高。熱風式茶葉殺青機是利用高溫熱風來炒制茶葉，殺青效率高，但是碎茶率過高[7]。基于碳基涂層發熱材料已被應用于電加熱取暖、烘箱及烤爐等領域，是一種面狀加熱新技術，具有加熱面積大、急速發熱、熱場均勻、安全性高、耗電少、控溫精確、安裝方便等優點[8]。研究擬設計一種以碳基發熱涂層為加熱源的殺青裝置，將殺青和揉茶過程結合起來的傳送裝置，實現茶葉制作過程全自動化，旨在減少茶葉制作過程人工勞動量以及提高茶葉成品質量。

1 結構設計

以茶葉制作工藝中“三殺三揉”的工藝要求為標準，設計具有殺青、揉捻、翻炒等功能的炒茶機，同時實現茶葉由殺青皿→揉搓盤→殺青皿的轉移功能。裝置總體結構如圖1所示。

1. 加熱器皿 2. 攪拌器 3. 可閉合開口 4. 機架 5. 揉搓盤 6. 揉搓塊 7. 橡膠塞 8. 流轉管道 9. 管道收縮開口圖1 裝置總體圖Figure 1 General drawing of the device

茶葉在殺青過程中需不斷攪拌，攪拌力度通過步進電機控制。茶葉在殺青皿內完成一次殺青后，需要轉移至揉搓裝置進行揉搓。在殺青皿側壁設計一個可控制開合的通道，如圖2所示，通過滾珠絲杠電機控制滑動擋板上下移動。利用殺青皿和揉搓盤的高度差，將殺青皿的機架傾斜20°，在殺青完成后，茶葉即可在自身重力作用下由殺青皿滑入揉搓盤。

圖2 殺青皿側壁通道Figure 2 Side wall channel of sterilizer

傳統的茶葉加工機均是殺青裝置與揉捻裝置分離式的，茶葉從殺青到揉搓環節還需要人工轉移，為了實現整個茶葉制作過程的自動化，設計了一套傳輸裝置。該傳輸裝置以一個U型管道為基礎，將揉茶機構與殺青機構結合起來，在管道內部放入一枚橡膠塞，在電機的牽引下可以在管內做往復運動。在橡膠塞的推動下，茶葉可以在揉捻后再次進入殺青器皿，從而實現多次殺青和揉捻。

2 碳基發熱涂層

2.1 涂層涂覆工藝

利用金屬電熱絲加熱方式不能覆蓋整個殺青器皿，不可避免出現溫度不均勻的情形，采用發熱涂層作為熱源可以保證整個器皿加熱均勻。

為了提高發熱涂層發熱效率，通常將發熱漿料直接涂敷在石英玻璃基底上，但是由于界面結合力弱，容易造成涂層在工作過程中，特別是急速升溫急速降溫情況下，涂層脫落。為了解決這個問題，將碳基發熱涂層采用以下工藝[9]涂覆到石英玻璃制成的殺青器皿底部。

(1) 器皿選則：選用可見光到近紅外波段透過率較高的石英玻璃，超聲波清洗干凈后，用氮氣吹干，放置在具有離子源的鍍膜機內。

(2) 等離子體預處理：使真空度達到2.0×10-2Pa，打開離子源，預熱5 min，將離子源3的能量設置為1 000 eV，對基底進行5 min轟擊后，關閉離子源3及電源。離子源3生成的等離子體轟擊石英玻璃表面，將石英玻璃表面的雜質以及不穩定的分子轟擊掉，使得石英玻璃表面局部形成微孔。

(3) 涂覆發熱涂層：在等離子體處理過的石英玻璃表面涂覆一層濃度為10%的低濃度發熱涂層漿料，放置于充入含量95%以上氮氣的烘烤箱中，250 ℃低溫烘烤30～60 min。因此，基底材料的微孔內會滲入發熱涂層漿料，相當于在微觀上增大了漿料與基底的附著力，經過加熱烘烤，加熱涂層能更加充分地滲入基底微孔，與基底充分接觸，附著力進一步增大。最后，均勻涂覆正常濃度的發熱涂層漿料，并于含氮氣烘烤箱中250 ℃烘烤30 min,使得漿料與基底的熱變形相適應，不會因熱差導致塑性斷裂，提高了石英玻璃的穩定性。

2.2 涂層發熱原理

將碳基發熱涂層涂覆至基材上固化成膜后，給涂膜的兩端通過施加一定的外加電壓形成導電回路，實現發熱升溫，涂層固化后在一定電場作用下實現電阻加熱，發熱功率為：

(1)

式中：

P——發熱功率，W；

U——外加電壓，V；

R——涂層電阻，Ω。

試驗所用碳基涂層方阻為30 Ω，涂覆層數10層，因此總電阻為300 Ω，所接電壓為220 V，總功率為161.3 W。

碳基發熱涂層材料發熱性能優良，相比金屬電熱絲熱轉換效率更高[10]。同時碳基發熱涂層溫度響應時間非常短，例如石墨烯制成的電熱材料在1.61 V的外加電壓下只需要7.5 s就可以使其表面溫度達到200 ℃以上[11]。

3 系統控制設計

炒茶裝置控制部分的設計最主要就是對茶葉殺青時涂層溫度的測量及控制，對電機的控制以及溫度顯示，設計的炒茶裝置電路系統總方案如圖3所示，主要包括溫度采集、溫度控制、主控、顯示輸入、電機控制等模塊。

圖3 系統方案圖Figure 3 System scheme diagram

主控模塊是以STM32ZET6作為主控芯片，對整個茶葉制作過程進行控制；溫度采集包括K型熱電偶和MAX6675數模轉換芯片，對需要采集的鍋底溫度進行一次200 ms的采集；溫度控制是由通過驅動SSR固態繼電器控制發熱涂層加熱完成的，主要是對鍋底溫度進行恒溫控制，達到殺青所需溫度；顯示屏對當前鍋底的溫度值進行顯示，以保證可以實時觀測當前鍋底的溫度，以便于進行調整；電機控制模塊起到控制攪拌力度和揉茶力度，以及對茶葉傳輸的控制。

溫度的測量方式有兩種：接觸式溫度測量和非接觸式溫度測量。該設計炒茶鍋與整體設計為一體，處于相對靜止的狀態，故采用K型熱電偶接觸式溫度測量。

設計多采用的發熱涂層可以通過固態繼電器進行溫度控制，可以在使用時做到無觸點、無火花的接通和斷開電路。固態繼電器SSR各個引腳和主控芯片的連接如圖4所示。SSR的輸入端1接高電平，4接I/O口。利用I/O口輸出具有高低電平特性的PWM信號，來控制SSR接通和斷開的時間從而控制發熱涂層加熱功率，進而控制炒茶溫度。輸出端3接220 V交流電源，2接發熱涂層。

圖4 固態繼電器引腳連接圖Figure 4 Solid state relay pin connection diagram

根據茶葉制作流程，設計炒茶裝置工作流程控制程序如圖5所示。

圖5 炒茶流程圖Figure 5 Flow chart of tea frying

設置好溫度、時間、電機轉速后，主程序將會調用溫度采集模塊對應的溫度采集程序，完成溫度信號的采集工作，并將采集到的溫度顯示至OLED顯示屏上，采集到鍋底溫度后，與設定的溫度進行對比，通過PID算法進行溫度的控制[12]。加熱時間也可以根據不同的制茶工藝設置，加熱的同時，主控芯片控制電機轉動攪拌茶葉。加熱完成后，打開滑動擋板，茶葉進入揉搓裝置，電機控制模塊控制揉搓電機工作，揉搓時間也可以自由設定。揉搓完成后，可以控制牽引橡膠塞的電機，將茶葉再次轉運進殺青器皿進行下一次加熱揉搓，循環次數可以設置。

4 理論分析

茶葉在殺青過程中需要不停地攪拌以使茶葉受熱更加均勻。攪拌力度過小達不到均勻加熱的效果，攪拌力度過大則會破壞茶葉的結構，造成碎茶率過高。因此，根據式(2)計算需要負載最大扭矩。

T=(m1+m2)μgsinθ·r，

(2)

式中：

T——負載最大扭矩，N·m；

m1、m2——茶葉質量和攪拌器質量，kg；

μ——摩擦系數；

θ——殺青器皿與地面夾角，°；

r——攪拌器半徑，m。

加熱皿與地面夾角為20°，根據傳統炒茶經驗，制作1 kg成品茶葉需要4 kg左右新茶，攪拌器轉速60 r/min,攪拌器半徑0.06 m，攪拌器質量為1 kg，g取9.8 m/s2,摩擦系數0.15，代入式(2)可求得負載最大扭矩約為1.51 N·m。

按式(3)可計算出所需電機功率。

P=Tn/9.55，

(3)

式中：

P——攪拌電機功率，W；

n——電機轉速，r/min。

電機轉速為1 200 r/min，可求出所需電機功率為189.74 W，綜合考慮，選取功率為200 W的電機即可。

5 試驗與結果

5.1 揉搓塑形試驗

為了驗證炒茶機的使用性能，進行炒茶試驗，并對茶葉成品品質進行分析。選取綠茶作為試驗對象，選取相同品種、相同嫩度的茶葉分別以人工和炒茶機進行茶葉制作。人工試驗由一名熟練工進行操作，炒茶機則按照制茶工藝經驗，將制茶的工藝參數輸入計算機，包括殺青溫度、揉捻機構轉速、工作時間等。為確保試驗結果的準確性，每種茶葉進行兩組試驗取平均值，試驗結果見表1。

由表1可知，炒茶機制作的茶葉成條率比人工制作的高1%，兩種制作方式的茶葉斷裂率和碎末率相差不大。但人工制茶對于工人的熟練程度要求很高，且工作效率較低，人工成本較高；炒茶機在開啟參數設置后運轉正常，工作效率較高。

表1 茶葉制作試驗Table 1 Tea making test %

5.2 殺青效果試驗

選取品種相同，同批采摘的綠茶鮮葉進行殺青試驗。茶葉分別由采用電熱絲加熱的傳統炒茶機和由發熱涂層加熱的新型炒茶機進行殺青，每組機器投放濕茶葉各5 kg，殺青時間均為3 min，溫度設置為200 ℃。參照 GB/T 23776—2009 和文獻[13]對殺青過后茶葉的外形、香氣及葉底進行感官審評。外形、香氣和葉底占總評比重分別為30%，35%，35%。

由表2可知，經涂層加熱制作的茶葉在外形、香氣和葉底評分上均略優于傳統電熱絲加熱制作的茶葉，可以有效提高茶葉的制作品質。

表2 茶葉殺青試驗Table 2 Experiment on green elimination of tea

6 結論

使用碳基發熱涂層作為茶葉殺青熱源，提高了茶葉殺青效率和質量，降低了茶葉殺青功耗。優化的炒茶機整機功耗最大1 kW，整機尺寸為350 mm×150 mm×280 mm?；赟TM32設計了溫度探測、溫度控制及顯示、炒茶揉茶切換等電路模塊，溫控范圍為20～400 ℃，溫控精度±1 ℃。使用試驗裝置進行揉搓茶葉可以得到略高于人工的成條率，殺青效果也優于傳統的殺青方式。后續可以研究增加容器體積情況下發熱涂層的加熱效果，進一步提高茶葉制作的生產效率。