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。中國是茶樹原產(chǎn)地，也是人類最早發(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。我國茶葉研究發(fā)展速度較快，其制作過程殺青、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)過程中，為了便于茶葉的貯藏運(yùn)輸，往往需要對茶葉進(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)域人群對于茶葉的品質(zhì)需求各有差別。對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)品的銷售對象需求，所以對于茶葉烘干技術(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，但是這不僅對操作人員的手藝提出極高要求，同時(shí)無法完成大批量的生產(chǎn)，烘干效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且隨著國家對各類產(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)除渣的裝置來解決上述問題[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)。從原理來講，對茶葉進(jìn)行烘干處理就是通過溫度控制實(shí)現(xiàn)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(zhì)的關(guān)鍵，需要對內(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)，通過電力對烘干設(shè)備內(nèi)的電熱絲進(jìn)行加熱，通過熱輻射對攪拌、翻整狀態(tài)的茶葉進(jìn)行加熱去水分，隨著烘干倉的熱量堆積，很大部分熱量都會(huì)通過烘干倉板熱傳導(dǎo)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(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)?；⒓苫癁槟繕?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)展來設(shè)計(jì)：（1）烘干的熱量一般來源于布置的電熱絲，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)置有專門的開關(guān)控制的閥門。一方面控制閥門的開與關(guān)；另一方面控制閥門的開關(guān)截面大小，來控制流量，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)軸對茶葉進(jìn)行翻炒或攪拌，這個(gè)過程中，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?，必然?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，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，造成烘干操作的無用做功。

1.3 優(yōu)化分析

通過以上分析出的問題，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(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)通過回風(fēng)管和導(dǎo)流管再次流入內(nèi)筒，實(shí)現(xiàn)了對茶葉的再次烘干，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，積水倉底部設(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，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(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上，連接盤下部一側(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，頂板為錐臺形，頂板上設(shè)有進(jìn)料口，進(jìn)料口上設(shè)有進(jìn)料門，進(jìn)料門上部設(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)有若干用來支撐除渣裝置的第二支腿，裝置下部設(shè)有卸料閥，通過卸料閥將茶渣卸出。

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上，連接盤下部一側(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)通過回風(fēng)管和導(dǎo)流管再次流入內(nèi)筒，實(shí)現(xiàn)了對茶葉的再次烘干，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，積水倉底部設(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，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)筒間的電熱絲對內(nèi)筒加熱，進(jìn)而對茶葉加熱，再利用第一攪拌葉、第二攪拌葉對茶葉進(jìn)行攪拌，保證了茶葉的受熱均勻性，再通過出風(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)通過回風(fēng)管和導(dǎo)流管再次流入內(nèi)筒，實(shí)現(xiàn)了對茶葉的再次烘干，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，并對裝置分結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，針對如何去除茶渣問題、如何去除烘干倉內(nèi)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(xiàn)存問題，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)筒間的電熱絲對內(nèi)筒加熱，進(jìn)而對茶葉加熱，再利用第一攪拌葉、第二攪拌葉對茶葉進(jìn)行攪拌等）基礎(chǔ)上，再通過出風(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)通過回風(fēng)管和導(dǎo)流管再次流入內(nèi)筒，實(shí)現(xiàn)了對茶葉的再次烘干，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)。