茶叶烘干机干燥过程数学模型的建立

2016-11-25杨凯高俊明李浩

福建茶叶 2016年11期

关键词：烘干机板式薄层

杨凯，高俊明，李浩

（河北工程技术高等专科学校，河北沧州061001）

茶叶烘干机干燥过程数学模型的建立

杨凯，高俊明，李浩

（河北工程技术高等专科学校，河北沧州061001）

茶叶烘干机是茶叶加工流程后期干燥茶叶的主要设备之一，当前最常用的茶叶烘干机大多为链板式烘干机。茶叶物料的链板式烘干机干燥过程数学模型是建立在烘干机内热风和茶叶的热湿平衡的基础上的，依据各薄层干燥数学模型进行叠代计算得出。在一定的进风温度、叶层厚度和链轮转速的干燥条件下，出叶含水率可由进风温湿度与排风的温湿度所得出。茶叶烘干机干燥过程数学模型的建立对茶叶的烘干过程有非常重要的指导意义，同时对烘干机的研制与设计也具有非常重要的作用。

茶叶烘干机；干燥；数学模型；热湿平衡

茶叶干燥的方法有烘干、炒干和晒干三种方式。绿茶的干燥工序，一般先经过烘干，然后再进行炒干。因揉捻后的茶叶，含水量仍很高，如果直接炒干，会在炒干机的锅内很快结成团块，茶汁易粘结锅壁。红茶的干燥是将发酵好的茶坯，采用高温烘焙，迅速蒸发水分，达到保质干度的过程。白茶在制法上采用不炒不揉的晾晒烘干工艺。黑茶的干燥有烘焙法、晒干法、以固定品质，防止变质。

茶叶烘干机是茶叶加工流程后期干燥茶叶的主要设备之一。目前对常用的自动链板式烘干机主要由加热器、主机和风机组成。烘干机所需要的热介质空气，主要来源于加热器，由于烘干机顶部是敞开的，因此热介质空气是常压的。热空气从烘干机的各层烘板的下部送入，向上运动，依次通过各层烘板烘干茶叶。为了使烘干机内热空气温度分布更加合理，需要对每层烘板的进风量进行自动调节。待烘干茶叶由自动链板式茶叶烘干机的输送装置输送到干燥室内，茶叶从上层烘板依次连续地向下层烘板运动，在规定的烘制时间完成作业。在此作业过程中为了符合茶叶的干燥特性曲线，上层烘板的运动速度较快，下层烘板的运动速度较慢。为了能及时地排除茶叶和茶灰需在干燥室底部设置自动扫叶装置，这样也能很好地防止漏茶。

最常用的链板式茶叶烘干机均可认为是多薄层组合机构。本文依据对谷物深床干燥模型提出的叠加原理，采取了对茶叶烘干机内各层烘板的热湿平衡数学叠加建立了茶叶烘干机干燥数学模型。本文主要针对链板式茶叶烘干机，以茶叶薄层干燥数学模型为基本模型建立了茶叶链板式烘干机多薄层干燥数学模型，得到了理想的结果，可很好地指导茶叶烘干作业过程，对烘干机的研制和设计也有重要的意义。

1　茶叶烘干机干燥数学模型的建立

茶叶在链板式烘干机内的干燥过程可认为是一个在茶叶厚度和热空气温度连续变化的情况下，由许多薄层茶叶不断通气所构成的干燥过程，也就是茶叶在不同厚度叶层和介质条件下以多个薄层组合形式的重复干燥，茶叶烘干机干燥数学模型就可视为多薄层叠加模型。

从链板式茶叶烘干机的工作原理可知，待烘干茶叶由自动链板式烘干机的输送装置输送到干燥室内，在此过程中，茶叶是从上层烘板自动连续的运动到下层烘板。也就是说，输送装置将茶叶从进入第i层链板开始到该层终点，将第i层终点茶叶自动翻到下一层，作为i-1层的起点继续干燥，依次进行直至最底层出叶。茶叶的各层厚度和烘干机链轮转速间有着固有关系，为了符合茶叶的干燥特性曲线，上层的运动速度较快，下层的运动速度较慢。假设茶叶在干燥过程中体积收缩后的厚度在相邻两层之间可近似认为是相等的，也就是第1层与第2层相等，第3层与第4层相等，第5层与第6层相等，依次类推。

链板式烘干机的干燥室各组烘板分别通入的热风主要是采用常压式，由下往上运动，顶部敞开。那么该烘干机用温度为T1，含湿量为H1的热空气来干燥第1层茶叶，用温度为T2，含湿量为H2的热空气来干燥第2层茶叶，也就是说干燥i层茶叶的湿热空气是在干燥第i-1层茶叶完成后进入的干燥介质，因而完成第i-1层茶叶干燥的热湿空气特性与进入第i层茶叶进行干燥的热湿空气的特性一致，其过程为茶叶的升温去湿、干燥介质的降温加湿过程。

对于茶叶来说，设茶叶物料在进入第i层烘板干燥时的含水率为第i薄层初始时候的含水率，完成第i层干燥后的含水率为该薄层终了含水率。由茶叶干燥过程的运动特点可知第i层的终了含水率与第i-1层开始含水率相等，由此关系，便可建立茶叶各个薄层之间的含水率的变化数学模型，即各薄层干燥数学模型。通过各个薄层干燥数学模型的叠代运算，便可建立多薄层干燥茶叶含水率数学模型。各层茶叶含水率数学模型可由参考文献［1］知，茶叶的薄层干燥数学模型也就是茶叶的含水率随时间的变化规律的数学模型。对于茶叶链板式烘干机内第i层薄层的干燥数学模型则可写为：

式中Mi为第i层茶叶含水率（小数，干基）；Mi0为第i层茶叶初始含水率；Ki为第i层干燥常数（min-1）；由i层茶叶的初始含水率就等于i+1层终了含水率，用薄层干燥数学模型进行递推可得多薄层干燥数学模型：

各层干燥空气含湿量数学模型：第i层干燥空气经过第i层茶叶干燥脱水后进入第i+1层，这个过程为干燥空气时的降温加湿过程，相邻上下层的热湿空气中的含湿量可表示为：

对于链板式茶叶烘干机，一般是分多层进风，即进入第i层的干燥空气含湿量可通过上式计算值与进风的绝热等熵混合后的含湿量，可表示为：

式中Hi为第i层干燥空气含湿量（kg·H2O/kg干空气）；Wi为第i层茶叶的失水量（kg）；mai为第i层的干空气质量（kg）；Hi'为第i层进风层含湿量（kg·H2O/kg干空气）；n为进风次数。

干燥空气温度在各层的变化数学模型：在第i层茶叶在干燥过程中，假定不考虑机器壁层的热损失和第i层茶层在平衡温度Tei下的水分蒸发热损失，那么第i层茶叶与第i层干燥介质的换交热过程被理想为绝热的热力学过程，第i层茶叶与第i层换热介质就组成了一个绝热等熵的热力学系统。干燥空气进入第i层茶叶后消耗在i层茶叶变成i-1层茶叶的热量与消耗在i层茶叶的脱水相变热量的和就是干燥空气的热损失，也就是第i层茶叶整个过程中蒸发水分的同时，温度从Tmi升高到了Tmi-1，干燥介质的温度也由Ti降低为Ti+1，由于在此过程中水蒸发后温度变成Ti+1，其焓变较小，相对于汽化潜热来说可以忽略不计，即干燥介质的焓变等于茶叶中水分蒸发的汽化潜热与茶叶的焓变之和，则第i+1层与第i层干燥介质温度间的关系表示为：

水蒸汽比热（KJ/kg·℃）；aC为干空气比热（KJ/kg·℃）；sC为茶叶干物质比热（KJ/kg·℃）；wC为茶叶中水分比热（（KJ/kg·℃）；sρ为茶叶干物质密度（kg/m3）；ρ为湿物料（茶叶）容重（kg/m3）；γ为汽化潜热（KJ/kg）；L为链板宽（m）；ih为第i层茶叶干物质厚（m）；DM为茶叶干物质量（kg）；为第i层茶叶的水分汽化热（KJ）；其余符号同前。

2　干燥常数及数学模型的结果分析

干燥常数：茶叶在烘干机内薄层形式透气动态干燥条件下下的干燥常数Ki可用线性回归法求得，其相关参数的表达式可写成：

式中，M0i为薄层初始含水率；Ti为干燥介质温度；Gi为薄层厚度。

整个过程中的干燥常数不但与茶叶的厚度和干燥介质的温度有关，而且还与茶叶初始含水率具有明显的相关性。干燥介质温度越高，茶叶升温速度就越快，茶叶中含有的水分扩散越剧烈，脱水的速率就越快，蒸发也就越快，干燥常数的值就越大。因此，干燥常数Ki与干燥介质温度Ti成正偏相关；即叶层越厚，热阻就越大，热渗透性相应便会减弱，叶层中的水分蒸发速度便会减慢，干燥常数变小。因此，干燥常数Ki与茶叶的薄层厚度Gi成负偏相关；进入烘干机内的茶叶的初始含水率越高，茶叶的脱水量就越大，也就是干燥介质中的水气含量越高，所以干燥常数越大。也就是说，干燥常数Ki与茶叶初始的含水率M0i具有比较大的正偏性。

干燥数学模型的结果分析：以链板式茶叶烘干机为基础建立的烘干机多薄层干燥数学模型，各种干燥条件下的出叶含水率计算值存在一定的偏差，其偏差值需控制在合理的范围之内。由于前文中假设不考虑机壁的传热和热辐射损失，即在既定的干燥条件下，对于同一茶叶初始含水率来进行计算，计算所得茶叶终了含水率比实测值略低，即数学模型计算值的干燥强度比实际值略高。由于茶叶形状、薄层的不均匀性、热风穿透不均匀等条件的存在也会造成该数学模型的计算结果存在一定的偏差。

茶叶在烘干机内多薄层干燥过程，其含水率在高温大风量的条件下，整个干燥过程的随层数的变化为曲线规律，其恒率期很短，此过程大部分在降率期中进行。

茶叶的干燥过程是水分由茶叶向干燥介质迁移的过程，其水分迁移过程可看成是由湿度梯度引起的气流作用和由温度梯度引起的热流作用分别造成的，在特定的干燥温度范围内，两者之间的相互干涉作用可以不予考虑。