茶叶加工机械中不同热源应用初探

安徽省农业机械试验鉴定站

□ 秦军卫 肖美华

茶，按绿茶、红茶、黄茶、白茶、乌龙茶和黑茶等不同品类要求，选择萎凋、杀青、做青、闷黄、发酵、渥堆、揉捻（切）、理条、压扁和烘（炒、焙）干等不同加工工序，茶树鲜叶就可形成各类茶叶特有的色、香、味、形。制茶从手工操作到机械化生产，促进了茶叶加工机械的创新发展。在茶叶机加工过程中，将含水率75%左右的鲜叶制成含水率不高于6%的干毛茶，水分散失带走了大量热量，需要稳定高效的环保型热源。以安徽省为例，在竞争日益激烈的茶机市场，制茶效果就是茶机质量的标准，而温度伴随整个制茶过程是其中一个重要因素。换句话说，茶机企业如何实现“热”和“机械”的有效结合，是成功的关键所在。

一、现状

目前，茶叶热加工机械主要有：杀青机、理条机、炒干机、烘焙机、扁形茶炒制机和烘干机等，上述机械提供了茶叶加工过程中所需的热量。

（一）热源方面。与茶机配套的热源为常规能源，主要有柴、煤、生物质颗粒、电力、燃气和微波等。

（二）获热方式。根据热力学第二定律，凡是有温差的地方，就有热量自发地从高温物体传向低温物体，或从物体的高温部分传向低温部分。

1.接触获热。制茶过程中，茶叶主要与高温滚筒、圆锅、槽锅、长板、链板、网带、百叶、抽屉、烘盘式等各类金属材料直接接触，少量采用与强制流动的高温热风或蒸汽直接接触，以热传导或热对流为主实现茶叶与供热体之间的热传递。

2.非接触获热。温度高于绝对零度的任何物体都不停地向空间发出热辐射能。合理选择发生特定波长远红外线的材料，通电时将电能转换成热能，并通过远红外线来辐射热量，热量传递不需要物体间直接接触，实现对被加热体以热辐射为主的热传递。目前，茶机企业选用能够辐射出比正常材料更多远红外线的碳纤维发热管和远红外陶瓷加热板等加热件。

3.内外同时获热。微波与加热有关的特征主要为穿透性、反射性和吸收性,对于茶叶而言体现在吸收性。高频微波通过微波发生器获得，微波穿透茶叶时，其能量被茶叶大量吸收，并迅速转换成茶叶自身热量，实现茶叶内部和外部同时加热、均匀升温。目前微波加热广泛应用于工业和家庭，为避免对通信、广播、电视和雷达等产生干扰，现微波加热频率主要为工业用915MHz（波长约32.97cm）和家庭用2450MHz（波长约12.24cm），茶叶的微波加热选用工业用频率。

（三）安全要求。目前，与各类茶机配套的主流热源仍为柴、煤和电力；其次为燃气热源，多用在杀青机、理条机和炒干机等机型；微波热源少量运用在杀青机、烘焙机和烘干机等机型。热源的多样化发展，带来茶机结构上的变化，可是关于热源方面的安全要求并没有积极跟进。

1.标准方面。按《茶叶滚筒杀青机》（JB/T9812—2016）、《茶叶理条机》（JB/T12833—2016）、《茶 叶 烘干机》（JB/T6674—2016）和《茶叶炒干机》（JB/T8575—2016）等行业标准要求，其安全要求仅对电气方面作出规定，对配套热源为燃气和微波应有的安全防护措施没有任何规定。

2.规范方面。推广鉴定主要考核产品的安全性、适用性和可靠性。按部级大纲《茶叶杀青机》（DG/T079—2019）、《茶叶理条机》（DG/T085—2019）和《茶叶炒（烘）干机》（DG/T081—2019）等行业规范要求，均对电气方面进行安全性考核。其中，仅有《茶叶杀青机》大纲增加了燃气方面的安全性能，其余均未增加，而所有大纲对于微波方面的安全性能均未作出规定。

二、影响因素

伴随着机制茶和手工茶品质差别的讨论，茶机企业以手工茶为参照物，充分考虑各类热源对制茶影响并加以利用。

1.环保因素。据2018年统计，全国茶叶产量达261万吨，机械化实现了茶叶量产。按实际生产4斤鲜叶制成1斤左右干茶推算，2018年茶叶生产需蒸发约783万吨水份。在标准大气压下，水的汽化热随温度不同而发生变化，在20℃、60℃和90℃汽化时，对应的汽化热分别为2453.6kJ/kg、2358.1kJ/kg和2282.8kJ/kg，假设水份平均汽化温度为60℃，其蒸发带走约1.8×1013kJ热量,以标准煤（热值29300kJ/kg）测算，至少需燃61.4万吨煤（忽略煤燃烧中的无效能量）。而燃烧煤会排放大量粉尘、烟雾、SO2、NOX和H2S等大气污染物，在“打赢蓝天保卫战”部署下，各地纷纷限制使用柴、煤作为热源，电力和燃气必将成为主流热源。

2.热控制因素。茶叶在杀青、理条、炒干、提香和烘干等加工环节，精准控制并稳定温度是关键。燃烧柴煤时，师傅掌需要握好炉膛内柴煤量和控制好进出口风量大小，经验是控温关键，如温度波动范围较大，不利于茶品质一致性；以消耗电能的普通电阻丝加热、红外线加热、微波加热等热源，配以各厂专用控制柜，温度控制方便；燃烧燃气时，整个燃烧系统能保证燃烧强度和火焰稳定，可提供稳定热源。因此，在茶叶加工流水线中不宜采用柴煤热源，而应该选择电力。近年来，安徽省农村农网变压器容量得以提高，普通农户采用电加热制茶成为可能，但当电加热功率高达80kW以上时，变压器容量过小不能使用，因此，兼具环保和方便的燃气成为电力的有益补充。在茶叶理条机推广鉴定用户调查中，就出现过尴尬的情况，一台锅槽面积（3.88㎡）、槽数（12槽）和锅槽长（3.5m）的大面积连续性茶叶理条机，电加热功率达到86.4kW，用户没有办好变压器增容，买回来两年一直无法使用；而与之具有相同的另一台机器，由于企业同时推出了燃气和电加热两款机型，可用燃气对电力进行适用性上的补充。

3．怀旧因素。以薪柴为能源是多数人儿时的记忆。薪柴燃烧时的特定温度、较强红外线热幅射和柴火特殊味道等特点形成了农村土灶大锅饭的特有香味，茶叶加工也不例外，具有老火香。如今薪柴已远去，只有老一辈茶农还沿袭着薪柴制茶习惯，也许不久的将来会逐渐消失。当制茶不以流水线作业和高生产率为目的时，茶叶可用于自产自销或满足特定人群对茶叶古法制作的怀念，那么以薪柴为热源的茶机将更多在小机型上得以保存和应用。

三、综合利用

各类热源对于茶叶品质会有不同，合理利用热源、打好热源组合拳就成为茶机改进的方向。

1．颜色和香气。蒸汽穿透力强、叶片升温快、受热均匀，杀青后茶叶色绿；而高温滚筒杀青后茶鲜叶青气消失，茶香溢出。以蒸汽滚筒式杀青机为代表，可加工绿茶特有的“三绿”特征和绿香型。

2.颜色、香气和形状。鲜叶在高温锅槽和热风的双重作用下，叶片快速升至酵素酶钝化温度，叶绿素破坏少，且叶片表面水汽被热风带走，杀青后茶叶色绿和味香；而连续式理条机实现茶叶杀青后，在叶质柔软适中时，无间断进行理条。以热风锅槽式杀青理条机为代表，在保证茶叶色和香的基础上，同步整形，使茶叶条索紧直且碎茶少。

3.补杀定色。杀青（理条）后是否揉捻，因茶而异。在茶树所有部位中，茶梗水分含量最高，常规杀青（理条）后，茶梗相比叶片仍有较多水份、不易散出。若直接揉捻，梗中水份揉出较多，易发生氧化而使叶色变暗；现增加“微波补杀”工艺，利用微波对梗叶内外同时加热、升温快原理，快速杀青，尤其能有效去除茶梗中过多水分，使揉捻时茶汁少，能较好保持揉捻前茶叶色绿的特征。

4.红外线提香。红外线为热源主要运用在茶叶理条机，现有两种截然不同的用途。一种是碳纤维发热管通电后产生远红外线直接热辐射槽锅，热辐射作用于槽锅并使其升温，对茶叶品质起作用的仍然是高温槽锅，此时红外线热辐射作用和柴煤加热、普通电加热没有区别，主要为热传导；另一种是利用远红外陶瓷通电时产生的远红外线直接照射在茶叶上，模拟炭火产生红外线烘焙茶叶的效果，实现拉小火的“小火慢烘”或拉老火的“大火快烘”特有品质。以红外线锅槽式理条机为代表，茶叶在槽锅中不停翻滚，来自槽锅上方的远红外线直接照在茶叶上，从而实现炭火烘焙产生的香气和滋味。因此，红外线直接热辐射在茶叶上是提香的关键。

四、技术挑战

多种热源在茶叶机械化生产上的综合应用，使机制茶品质进一步提升，必将形成茶农增收茶业增效的美好前景，但仍存在热源和机械相适应的巨大挑战。

1.材料导热性。滚筒杀青机和茶叶理条机对茶叶进行高温快杀，茶鲜叶失水即快又多，单位时间内耗热量大，热量传递以热传导为主。根据傅里叶定 理Ф=λAΔt/δ可 知，单位时间内热流量Ф大小与滚筒（槽锅）面积A、材质导热系数λ及滚筒（槽锅）板材上下面温差Δt成正比，与滚筒（槽锅）板材厚度δ成反比。材质为生铁符合传统制茶，不锈钢符合清洁化生产；生铁的导热性远高于不锈钢，而不锈钢Cr-Ni含量不同，其导热性又有差别；材质薄导热快，但长时间高温作业，材料金属组织发生变化使用寿命短；在满足制茶温度情况下，提高板材受热面温度导热也快些。因此，当生产企业改变茶机材质和厚度时，炉灶或电加热功率均需调整，多方试验才能找到最佳控制温度（测温点一般在滚筒或槽锅受热面）。

2.材料辐射性。红外线是波长介于微波与可见光之间的电磁波，波长在770nm至1mm之间，是波长比红光长的非可见光。目前，红外线加热器分为三种：短波加热器以卤素加热管为代表，中波加热器以碳素加热管为代表，长波加热器以陶瓷加热器为代表。木炭燃烧时发出红外线，根据茶叶烘焙专用木炭的波长特点，寻找或生产出合适红外线加热器已成为难点，且需在机器结构上保证红外线直接辐射到茶叶表面。

3.热源安全性。微波加热时发生泄漏将会损害人体，其泄漏功率密度应不大于5mW/cm2，而微波被铁合金反射会造成设备损坏。因此，微波作为热源，对茶机在安全防护和材料选择上均提出较高要求，机械设计要求更复杂。

五、结语

多种热源应用在茶机上，一方面满足人们对薪柴加热生铁锅和炭火烘焙竹笼中茶叶所具有独特色香味的追求；另一面实现茶叶机械化加工流水线作业。红外线、燃气和微波等新热源运用，传统茶机结构型式发生变化，带来新的安全隐患，需要相关标准、规范和机械设计等方面适当调整。茶机企业在试验中摸索选择合适的不锈钢和热辐射材料，需要相关单位和政府部门提供技术上支持，且不同热源对茶叶化学成分影响还需作深入研究。Θ