茶叶烘干除渣系统研究与设计

李震，杨硕林，乔文德

（1.250100 山东省 济南市 山东农业工程学院；2.250100 山东省 济南市 山东省农业机械科学研究院）

0 引言

农业新时代背景下，国家大力推动乡村振兴战略，倒逼农业技术优化升级。中国是茶树原产地，也是人类最早发现、利用、种植、加工茶叶、传播制茶技术及茶文化的文明古国。我国茶叶研究发展速度较快，其制作过程杀青、做形、摊青、萎凋、做青、发酵和烘干，其中烘干是茶叶制作的一项重要工艺。在茶叶加工生产过程中，为了便于茶叶的贮藏运输，往往需要对茶叶进行烘干处理，以除去茶叶中的水分，减少茶叶细胞中的水分含量，降低其活性并除去细胞膜的半透性，保证后续加工能正常、顺利地进行[1-2]。

我国地域广阔，人口种族分布因区域而有所差异，各个区域人群对于茶叶的品质需求各有差别。对于茶叶烘干操作而言，不同的烘干设备技术产出的茶叶含水率会有质上的差距，这种不同点会归于最后产品的销售对象需求，所以对于茶叶烘干技术的研究是提升茶叶不同层次需求的关键点。现有的茶叶烘干方式一般有2 种：一种是利用人工烘干，采用炭火并由人工翻动进行烘焙，但是这不仅对操作人员的手艺提出极高要求，同时无法完成大批量的生产，烘干效率低，劳动强度大，而且随着国家对各类产业运行提出低碳环保的新要求，这种方式会逐渐淘汰；另一种是利用机器烘干，提高茶叶烘干的效率。目前一般采用茶叶烘干机对茶叶进行烘干处理，茶叶烘干机烘干时为了保证茶叶受热的均匀性，往往需要对茶叶进行翻炒或搅拌，由于烘干状态下的茶叶具有易脆性，这必然会产生茶渣，如果这种含有茶渣的茶叶进入后续工序，后续工序没有涉及去渣工艺，会直接影响茶叶的品质。

因为茶渣主要产生在烘干工序，如果单独再另设一道工序进行除去渣，成本上会有增加，生产效率也会降低，结合机电系统设计一体化设计方法，来构思设计一种集烘干效率高、劳动强度小、自动除渣的装置来解决上述问题[3]。

1 系统分析

1.1 整体分析

茶叶烘干设备主要包括智能温控系统以及配套设置的执行结构、辅助机构。从原理来讲，对茶叶进行烘干处理就是通过温度控制实现对茶叶水分的去除过程，温度控制的全面性是烘干茶叶品质的关键，需要对内部茶叶进行翻搅，保证茶叶受热的均匀性。在保证受热均匀性的前提下，还要保证茶叶受热效率的线性化。因为茶叶在不同的受热温度时间下，茶叶内部成分变化程度参差不齐，影响浸泡茶叶后析出物，最终影响泡茶的口感。另外，现在茶叶烘干设备的能源供应多为电力系统，通过电力对烘干设备内的电热丝进行加热，通过热辐射对搅拌、翻整状态的茶叶进行加热去水分，随着烘干仓的热量堆积，很大部分热量都会通过烘干仓板热传导或者与外界空气形成换热对流，电热丝热量利用率比较低。加上搅拌设备持续不断的转动，也有能量消耗。

以茶叶烘干设备的节能化、环保化、集成化为目标，为了降低烘干成本、追求高的烘干效率、高的热利用率，要设法提高烘干设备的容积，在有限空间内，使得一次温控烘干过程产出最大限度容量茶叶吨位[4]。目前，茶叶烘干设备都已经向具备两者效果（受热均匀性和提升烘干效率）融合导向发展来设计：（1）烘干的热量一般来源于布置的电热丝，导热电丝一般布置在烘干筒体的外壁表面，先热传导到筒体壁面，再通过壁面将热量传导或者辐射到茶叶上；（2）为提高烘干效率，上一工序茶叶在立体设置的筒式体内依靠重力辅助作用，流水式输入与输出，以此循环，在立式筒体顶部设置进料口，下端设置有专门的开关控制的阀门。一方面控制阀门的开与关；另一方面控制阀门的开关截面大小，来控制流量，保证内部当批次茶叶基本的烘干时间。需要说明的是：在烘干期间，为了保证受热均匀性，经常会在筒体内中心位置设置旋转轴进行搅拌，使茶叶大大增加与烘干仓内热流的接触面积[5-6]。

1.2 缺陷分析

结合产业发展对茶叶烘干设备提出的新要求，在烘干期间，为保证受热均匀性，针对以上茶叶烘干设备的整体分析，从单结构模块进行优化提高分析入手。首先，烘干设备整体经常会在筒体内中心位置设置旋转轴对茶叶进行翻炒或搅拌，这个过程中，虽然会提升茶叶与热流的接触面积，但由于部分茶叶受热量比较大，导致快速干裂，加之搅拌力的作用，必然会导致部分茶叶的破碎而产生茶渣，茶渣随着高品质的茶叶一起流出到下一工序，最后必然会在本质上影响茶叶的品质；其次，茶叶烘干设备的内部翻搅过程中，茶叶虽然不断接受热量，但其实绝大部分热量都会通过筒体外壁面导出到空气中或者被烘干茶叶带出筒体内部，造成热源的快速流失，增加电量成本。设置旋转轴对茶叶进行翻炒或搅拌，如果搅拌齿的形状、材质不合适，会加速烘干茶叶的破碎，影响茶叶的品质。另外，搅拌齿被破坏后不易更换；虽然烘干筒内茶叶被除去了水分，但是由于筒体烘干设备一般为近似密封体，内部水分从茶叶内部蒸发出来，之后一直在筒体内部循环，其中也会一部分重新回到茶叶内部，造成烘干操作的无用做功。

1.3 优化分析

通过以上分析出的问题，设计茶叶烘干装置时，进行分离化单模块解决和模块间融合设计，在满足各项需求效果的同时，整体的结合也能达到设备整体的需求化目标。其中，对于怎么去除茶渣问题的解决，采取以下方式：在中心筒外部连接有抽取管道，中心管上部一侧设有回风管，回风管一侧设有导流管，导流管另一端与内筒连通，除渣后的热风通过回风管和导流管再次流入内筒，实现了对茶叶的再次烘干，充分利用了能源，增强了烘干效率。中心管下端设有滤网，避免了茶渣再次通过回风管流入内筒中，增强了除渣效果。

采取以下方式去除烘干仓内水分：回风管内部与导流管交叉处设有若干弯折状的除湿板，回风管一侧设有积水仓，积水仓底部设有出水阀，回风管中的热气与除湿板碰撞，除湿板捕捉热气中的水蒸汽形成水珠落入积水仓，避免了湿气再次进入烘干装置内部，保证了茶叶的烘干效果。除湿板上设有若干网孔，便于热风的流通，同一除湿板的上下网孔交错布置，保证了除湿板的捕捉效果和良好除湿性能。

采取以下方式提高茶叶烘干效率：外筒外壁一侧设有保温棉，保温棉对烘干装置保温，防止热源的快速流失。筒体顶板上部一侧设有观察窗，观察窗一侧设有第2 把手，便于启闭观察窗。观察窗由透明材料制成，便于观察内筒内部的烘干情况，实时观测来提高茶叶烘干的线性化水平。

采取以下方式提高茶叶受热效率：设置上下连接的搅拌体结构。第一搅拌叶下部一侧设有底座，底座固定地安装在第一转轴上，底座为锥形，起到了便于出料的效果。第一搅拌叶上部设有若干第二搅拌叶，第二搅拌叶设置于第一转轴的上部，对内筒上部的茶叶进行搅拌，保证了茶叶搅拌的效果，从而保证了茶叶受热的均匀性。第一转轴外部一侧通过键条设置有套筒，第一搅拌叶安装在套筒下部。第二搅拌叶上端固定地连接在连接盘上，连接盘下部一侧设有第二转轴，第一转轴上端设有连接孔，第二转轴通过键条安装在连接孔内部。第一搅拌叶和第二搅拌叶均可拆卸，便于第一搅拌叶和第二搅拌叶损坏后更换。

2 优化设计

2.1 具体结构

如图1 所示，优化设计后设备的整体组成单元包括烘干装置、搅拌装置、除渣装置（见图1）。

（1）烘干装置包括外筒、设置在外筒内部的内筒。外筒、内筒间设有电热丝，利用电热丝对内筒加热，从而实现了茶叶的烘干。外筒上部一侧连接有顶板，为了便于集气，顶板为锥台形，顶板上设有进料口，进料口上设有进料门，进料门上部设有第一把手。

（2）搅拌装置包括第一搅拌叶，内筒轴线处设有第一转轴，第一搅拌叶设置于第一转轴的底部，对内筒下部的茶叶进行搅拌。外筒下部一侧设有出料口，出料口一侧设有堵料板，为了便于堵料板的抽拉，堵料板一侧设有指孔；一侧还设有若干用来支撑烘干装置的第一支腿。外筒下部设有电机，电机输出轴与第一转轴固定连接。电机通过第一转轴带动第一搅拌叶和第二搅拌叶转动，实现了茶叶烘干时搅拌，保证了茶叶受热的均匀性。

（3）除渣装置设置于烘干装置一侧。除渣装置包括圆柱筒、固定安装在圆柱筒下部的锥筒、设置于圆柱筒一侧且与圆柱筒内壁相切的进风管、设置于圆柱筒中心处的中心管。进风管通过出风管与顶板连接，为了增强热风的流通性，进风管和出风管之间连接有风机，风机将内筒中的茶渣吸入除渣装置的圆柱筒中，含渣热风在圆柱筒内壁向下做螺旋运动，茶渣被圆柱筒和锥筒捕捉并落入锥筒底部，热风则通过中心管排出，实现了除渣。圆柱筒一侧设有若干用来支撑除渣装置的第二支腿，装置下部设有卸料阀，通过卸料阀将茶渣卸出。

图1 整体装配结构图Fig.1 Overall assembly structure diagram

外筒外壁一侧设有保温棉，保温棉对烘干装置保温，防止热源的快速流失。顶板上部一侧设有观察窗，观察窗一侧设有第二把手，便于启闭观察窗，观察窗由透明材料制成，便于观察内筒内部的烘干情况。第一搅拌叶下部一侧设有底座，底座固定地安装在第一转轴上，底座为锥形，起到了便于出料的效果。第一搅拌叶上部设有若干第二搅拌叶，第二搅拌叶设置于第一转轴的上部，对内筒上部的茶叶进行搅拌，保证了茶叶搅拌的效果，从而保证了茶叶受热的均匀性。第一转轴外部一侧通过键条设置有套筒，第一搅拌叶安装在套筒下部。第二搅拌叶上端固定地连接在连接盘上，连接盘下部一侧设有第二转轴，第一转轴上端设有连接孔，第二转轴通过键条安装在连接孔内部。第一搅拌叶和第二搅拌叶均可拆卸，便于第一搅拌叶和第二搅拌叶损坏后更换。中心管上部一侧设有回风管，回风管一侧设有导流管，导流管另一端与内筒连通，除渣后的热风通过回风管和导流管再次流入内筒，实现了对茶叶的再次烘干，充分利用的能源，增强了烘干效率。回风管内部与导流管交叉处设有若干弯折状的除湿板，回风管一侧设有积水仓，积水仓底部设有出水阀，回风管中的热气与除湿板碰撞，除湿板捕捉热气中的水蒸汽形成水珠落入积水仓，避免了湿气再次进入烘干装置内部，保证了茶叶的烘干效果。除湿板上设有若干网孔，便于热风的流通，同一除湿板的上下网孔交错布置，保证了除湿板的捕捉效果，提高了除湿板的除湿性能；中心管下端设有滤网，避免了茶渣再次通过回风管流入内筒中，增强了除渣效果。

2.2 技术效果

该装置提供一种茶叶烘干除渣装置，将茶叶倒入烘干装置中，利用外筒、内筒间的电热丝对内筒加热，进而对茶叶加热，再利用第一搅拌叶、第二搅拌叶对茶叶进行搅拌，保证了茶叶的受热均匀性，再通过出风管一端的风机把茶渣吸入除渣装置中，达到除渣效果，既保证了茶叶的受热均匀性，提高了茶叶的烘干效率，又保证了茶叶的品质；在热量利用的过程中，中心管上部一侧设有回风管，回风管一侧设有导流管，导流管另一端与内筒连通，除渣后的热风通过回风管和导流管再次流入内筒，实现了对茶叶的再次烘干，充分利用能源，增强了烘干效率。

3 结论

设计了茶叶烘干除渣装置，并对装置分结构模块进行结构优化，针对如何去除茶渣问题、如何去除烘干仓内水分问题、如何提高茶叶烘干效率问题以及如何提高茶叶受热效率问题等一系列现存问题，在现有设备基本流程（茶叶倒入烘干装置中，利用外筒、内筒间的电热丝对内筒加热，进而对茶叶加热，再利用第一搅拌叶、第二搅拌叶对茶叶进行搅拌等）基础上，再通过出风管一端的风机把茶渣吸入除渣装置中，达到除渣效果，既保证了茶叶的受热均匀性，提高了茶叶的烘干效率，又保证了茶叶的品质；在热量利用的过程中，中心管上部一侧设有回风管，回风管一侧设有导流管，导流管另一端与内筒连通，除渣后的热风通过回风管和导流管再次流入内筒，实现了对茶叶的再次烘干，充分利用能源，增强了烘干效率。总体达到除渣效果，既保证了茶叶的受热均匀性，提高了茶叶的烘干效率，又保证了茶叶的品质。