球罐型360°茶葉搖青機(jī)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

楊 君劉木華阮承治張 渤葉江華

(1. 武夷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300；2. 農(nóng)機(jī)智能控制與制造技術(shù)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 武夷山 354300；3. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江西 南昌 330045；4. 武夷學(xué)院茶與食品學(xué)院，福建 武夷山 354300)

茶葉做青也稱搖青，是武夷巖茶形成烏龍茶香高、味醇的特有加工工序，是保證武夷巖茶茶葉品質(zhì)最重要的工藝流程[1]。傳統(tǒng)搖青機(jī)搖青滾筒在電機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，滾筒內(nèi)的鮮葉茶青隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，茶葉與茶葉、茶葉與搖青滾筒內(nèi)壁發(fā)生相互接觸和碰撞，在搖青的機(jī)械運(yùn)動(dòng)力和機(jī)械摩擦力內(nèi)外效應(yīng)下，促使茶葉組織結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞變化，細(xì)胞液泡中的物質(zhì)相互接觸，合適溫度下茶多酚發(fā)生酶促氧化，進(jìn)而達(dá)到武夷巖茶“綠葉紅鑲邊”做青發(fā)酵、茶葉滋味物質(zhì)及香氣物質(zhì)形成轉(zhuǎn)化的目的，提高茶葉香氣、降低茶湯苦澀味[2-4]。

武夷巖茶傳統(tǒng)搖青工藝中，搖青機(jī)由搖青滾筒、傳動(dòng)裝置、機(jī)架組成，使用炭火作為熱源。搖青筒依茶葉品種、等級(jí)不同投入相應(yīng)鮮葉量，以恰好蓋過(guò)籠體軸心為宜，在電機(jī)帶動(dòng)下，搖青筒體旋轉(zhuǎn)，滾筒內(nèi)的鮮葉茶青隨滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)[5]。由于傳統(tǒng)搖青機(jī)結(jié)構(gòu)及熱風(fēng)輸送風(fēng)管結(jié)構(gòu)原因，熱風(fēng)在離心風(fēng)機(jī)作用下從送風(fēng)管前端吹送至末端，風(fēng)管末端與搖青筒側(cè)壁鑲接，氣流堵塞導(dǎo)致熱風(fēng)反彈回流，熱風(fēng)經(jīng)送風(fēng)管無(wú)數(shù)小孔吹向搖青筒內(nèi)部，造成搖青筒不同部位風(fēng)力強(qiáng)度及溫度不均衡。溫度和風(fēng)力不均勻會(huì)影響茶葉做青發(fā)酵，風(fēng)管末端一側(cè)溫度高，茶葉做青發(fā)酵更快、引發(fā)茶葉紅變和發(fā)酵過(guò)重[6-7]。為保證武夷巖茶做青發(fā)酵品質(zhì)均勻一致，在茶葉搖青工藝中需人工不時(shí)翻動(dòng)，將搖青筒左右側(cè)茶青相互交換，勞動(dòng)強(qiáng)度極大，耗時(shí)耗力。

針對(duì)目前傳統(tǒng)滾筒式搖青機(jī)的缺點(diǎn)和不足，文章擬提出一種新型的球罐型360°搖青機(jī)設(shè)計(jì)，并對(duì)其熱風(fēng)輸送管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，分別對(duì)加裝擋風(fēng)圈導(dǎo)流板前后兩種工況的球罐型搖青室流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并制作樣機(jī)驗(yàn)證其效果，旨在為球罐型360°茶葉搖青機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供一定理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 總體方案及三維建模

1.1 總體方案及工作原理

搖青機(jī)傳動(dòng)方案及總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)搖青筒采用球罐型外形，球體外殼上開有進(jìn)出料口，方便茶青鮮葉進(jìn)出料。搖青過(guò)程中球罐型滾青筒同時(shí)在外軸(X軸)、內(nèi)軸(Y軸)電機(jī)帶動(dòng)下各自作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，整個(gè)球罐型搖青筒呈360°全方位旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)茶葉無(wú)死角搖青。

工作原理：整個(gè)球罐型360°搖青機(jī)X軸、Y軸電機(jī)分別與蝸輪蝸桿減速器組合安裝于內(nèi)機(jī)架和外機(jī)架軸上。球罐體在Y軸電機(jī)和減速器帶動(dòng)下沿Y軸方向作圓周運(yùn)動(dòng)，在X軸電機(jī)和減速器帶動(dòng)下，Y軸電機(jī)、減速器及內(nèi)機(jī)架整體繞X軸方向作圓周運(yùn)動(dòng)。X軸另一側(cè)安裝導(dǎo)電滑環(huán)，與外機(jī)架相連，其作用是避免Y軸電機(jī)在隨內(nèi)機(jī)架沿X軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)造成電線纏繞，確保電力通過(guò)導(dǎo)電滑環(huán)能持續(xù)傳送至Y軸電機(jī)。整個(gè)球體罐在電機(jī)作用下同時(shí)沿X、Y兩個(gè)方向各自轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)球罐內(nèi)茶葉360°搖青。離心風(fēng)機(jī)吸入空氣經(jīng)電熱絲加熱，輸送至球罐中心送風(fēng)管，送風(fēng)管開有無(wú)數(shù)小孔，熱風(fēng)通過(guò)送風(fēng)管小孔擴(kuò)散輸送至整個(gè)球罐內(nèi)部，提供茶葉球罐內(nèi)搖青過(guò)程中做青需要的溫度。球罐內(nèi)壁結(jié)構(gòu)亦開有無(wú)數(shù)小孔，實(shí)現(xiàn)做茶工藝中罐體內(nèi)熱空氣與外界空氣交換流通，保證罐體內(nèi)部空氣通透及做青鮮茶葉的生物活性。

電機(jī)連接減速器帶動(dòng)球罐體繞內(nèi)軸(Y軸)與外軸(X軸)兩個(gè)方向同時(shí)作圓周運(yùn)動(dòng)，茶葉在球罐筒內(nèi)實(shí)現(xiàn)全方位無(wú)死角搖青。球罐型360°茶葉搖青機(jī)增強(qiáng)了茶葉做青機(jī)械運(yùn)動(dòng)力和機(jī)械摩擦力，大大提高了搖青質(zhì)量及效率，降低了傳統(tǒng)搖青工藝中的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1.2 三維建模與虛擬裝配

球罐型360°搖青機(jī)主要由送風(fēng)管、球體罐和球罐架、機(jī)架、離心風(fēng)機(jī)等組成。球罐型360°搖青機(jī)按相關(guān)零件尺寸及結(jié)構(gòu)形狀建立各零件三維模型，根據(jù)各零件相互間的裝配和約束關(guān)系逐個(gè)進(jìn)行組裝，最后完成整機(jī)的虛擬裝配。完成球罐型360°搖青機(jī)整機(jī)三維造型的關(guān)鍵是對(duì)其各零件準(zhǔn)確建模并保證各零部件間的合理裝配關(guān)系。如圖2所示，通過(guò)Pro/E拉伸、旋轉(zhuǎn)、陣列等命令建立球罐型360°搖青機(jī)送風(fēng)輸送管、球體罐和球罐架、整體機(jī)架、離心風(fēng)機(jī)等主要零件的三維模型。

圖1 搖青機(jī)傳動(dòng)方案及總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)各部件運(yùn)動(dòng)關(guān)系選擇合適的約束條件，將球罐型360°搖青機(jī)各部件虛擬裝配成整機(jī)。通過(guò)虛擬裝配，檢查零件之間的干涉，對(duì)零件的結(jié)構(gòu)尺寸和安裝尺寸進(jìn)行檢查和修改，保證搖青機(jī)的可裝配性及裝配質(zhì)量，其整機(jī)虛擬裝配如圖3所示。

2 搖青機(jī)球罐流場(chǎng)數(shù)值模擬

2.1 仿真建模與控制方程

為了研究搖青機(jī)球罐內(nèi)部溫度均勻性，借助STAR-CCM+軟件分析整個(gè)球罐內(nèi)部流場(chǎng)特性，了解搖青機(jī)球罐內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布。通過(guò)Pro/E 建立三維模型并導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件ANSA，將劃分完成的表面網(wǎng)格導(dǎo)入STAR-CCM+軟件中，球罐計(jì)算幾何模型由送風(fēng)管、球罐模型、進(jìn)出口組成(圖4)。為使進(jìn)口的流動(dòng)充分發(fā)展，結(jié)合實(shí)際球罐體進(jìn)風(fēng)口處接離心風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口，將球體罐的進(jìn)口處加裝一定長(zhǎng)度的圓形管道，延長(zhǎng)的管道段作為靜止處理(不旋轉(zhuǎn))，球罐和內(nèi)部的送風(fēng)管以一定轉(zhuǎn)速繞中心軸旋轉(zhuǎn)，通過(guò)CFD數(shù)值模擬加裝環(huán)形導(dǎo)流板及不加裝環(huán)形導(dǎo)流板送風(fēng)管兩種工況下球罐內(nèi)流場(chǎng)，分析對(duì)比搖青機(jī)球罐內(nèi)的流場(chǎng)分布結(jié)果。

圖2 搖青機(jī)主要零部件三維模型

圖3 搖青機(jī)整機(jī)裝配

球罐型茶葉搖青機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)，搖青室內(nèi)部熱空氣流動(dòng)表現(xiàn)為三維湍流，計(jì)算模擬時(shí)可選取k-ε模型[8-10]：

圖4 球罐計(jì)算幾何模型

(1)

(2)

式中：

C1ε、C2ε——模型常數(shù)；

Gk——?dú)饬魉俣茸兓瘜?dǎo)致的湍流動(dòng)能，m2/s2；

σk、σε——湍動(dòng)能k與耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)，文中球罐體內(nèi)空氣流體視為不可壓縮流體，取σk=1.0，σε=1.3 ；

ε——耗散率，m2/s3；

k——湍動(dòng)能，m2/s2。

2.2 邊界條件與網(wǎng)格劃分

流體為不可壓縮氣體，其中空氣密度1.165 kg/m3，空氣黏度1.859×10-5Pa·s。進(jìn)口采用速度入口邊界條件，風(fēng)管入口實(shí)測(cè)風(fēng)速15 m/s，風(fēng)溫50 ℃(根據(jù)茶葉做青工藝要求);出口采用壓力出口邊界條件，球罐體出口絕對(duì)壓力為外界環(huán)境大氣壓0.101 325 MPa，溫度30 ℃。送風(fēng)管壁面邊界轉(zhuǎn)速15 r/min，球罐壁面邊界轉(zhuǎn)速15 r/min，環(huán)境溫度30 ℃，考慮到進(jìn)口熱氣流與送風(fēng)管道進(jìn)行共軛換熱，即固體域與流體域之間通過(guò)interface交接作共軛換熱。根據(jù)風(fēng)管道的材料屬性，將管道的導(dǎo)熱系數(shù)定為50.2 W/(m·k)。

網(wǎng)格劃分借助ANSA軟件進(jìn)行，首先將幾何進(jìn)行前處理，即修補(bǔ)幾何面，使其符合實(shí)際模型[11-12]。幾何面處理后，進(jìn)行面網(wǎng)格的劃分，其中孔特征采用1～2 mm，風(fēng)管采用6 mm。體網(wǎng)格類型為trimmer網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為5 866 261個(gè)網(wǎng)格單元。

2.3 兩種工況數(shù)值模擬對(duì)比分析

為對(duì)比兩種送風(fēng)管道的搖青效果，分析管道內(nèi)部不加裝環(huán)形導(dǎo)流板送風(fēng)管(工況1)與加裝環(huán)形導(dǎo)流板送風(fēng)管(工況2)球罐體內(nèi)流場(chǎng)分布。

2.3.1 中間斷面速度云圖 由圖5可知，工況1中間送風(fēng)管的速度相對(duì)工況2更均勻，但工況2中球罐內(nèi)的負(fù)壓區(qū)明顯比工況1小，且工況2靠近球罐的頂部有部分氣流從中間送風(fēng)管出來(lái)進(jìn)入到球罐內(nèi)，工況1氣流主要貼球罐運(yùn)動(dòng)，在球罐中間區(qū)域基本無(wú)較大風(fēng)速氣流。綜合評(píng)估，相對(duì)工況1，工況2的氣流對(duì)茶葉的搖青較好，但工況2底部仍存在少部分氣流吹不到的氣流死區(qū)，后續(xù)將進(jìn)一步對(duì)此區(qū)域進(jìn)行合理優(yōu)化。

2.3.2 中間斷面速度矢量圖 由圖6可知，工況1在球罐兩側(cè)出現(xiàn)兩個(gè)較大的渦流區(qū)，此分布區(qū)域基本無(wú)氣流，影響茶葉做青效果，相對(duì)工況1，工況2僅在球罐底部和中間區(qū)域形成較小的渦流區(qū)，其余部分氣流可與茶葉進(jìn)行充分熱對(duì)流，有利于球罐搖青機(jī)對(duì)茶葉搖青。

2.3.3 中間斷面壓力云圖 由圖7可知，工況1和工況2由于送風(fēng)管和球罐鑲接在一起，風(fēng)管底部氣流堵塞，造成壓力區(qū)域較大。其中，工況2球罐的送風(fēng)管加入了環(huán)形導(dǎo)流板，避免了氣流直接沖擊到球罐底部，使氣流緩慢地從四周小孔分散至罐體中間區(qū)域。雖在導(dǎo)流板處出現(xiàn)局部高壓區(qū)，但主要關(guān)注點(diǎn)在球罐區(qū)域，球罐內(nèi)氣流負(fù)壓區(qū)較小，有利于茶葉搖青通風(fēng)對(duì)流。

2.3.4 中間斷面溫度云圖 由圖8可知，工況2相對(duì)工況1的球罐體內(nèi)整體溫度分布更均勻，同時(shí)頂部氣流的溫度相對(duì)更高且分布較均勻，整個(gè)球罐中的茶葉搖青更均勻且效率更高。

2.3.5X斷面溫度場(chǎng)云圖 因整個(gè)球罐體直徑為1.2 m，為分析X方向的溫度流場(chǎng)，分別截取X=0.4， 0.6，0.8 m處球罐斷面溫度場(chǎng)云圖進(jìn)行分析，結(jié)果如圖9、10所示。由圖9、10可知，工況2各截面的溫度較為均勻，且相對(duì)工況1的溫度更高，這是由于工況1的高溫區(qū)主要集中在罐壁面，球罐中間區(qū)域氣流較少。綜上，送風(fēng)管增設(shè)環(huán)形導(dǎo)風(fēng)板，搖青機(jī)對(duì)茶葉搖青效果更佳。

3 樣機(jī)做青實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步論證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，在武夷山香江茶業(yè)有限公司進(jìn)行球罐型搖青機(jī)樣機(jī)做青試驗(yàn)，做青鮮葉為2019年5月初采摘的武夷巖茶肉桂品種茶鮮葉。做茶過(guò)程中采用MEASURE FINE慧譜溫度巡檢儀，鉑電阻溫度傳感器PT100WZP探頭安置于搖青機(jī)球罐體內(nèi)壁面、風(fēng)管等處，監(jiān)測(cè)茶葉做青溫度，記錄球罐內(nèi)壁、風(fēng)管外壁及風(fēng)管中心等12個(gè)不同采樣位置點(diǎn)做青溫度數(shù)據(jù)，兩種工況下溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表1、2。

圖5 球罐體Y斷面速度分布云圖

圖6 球罐體Y斷面速度矢量圖

圖7 球罐Y斷面壓力分布云圖

圖8 球罐Y斷面溫度分布云圖

圖10 工況2球罐X斷面溫度場(chǎng)云圖

由表1、2可知，工況1送風(fēng)管無(wú)導(dǎo)流板，球罐內(nèi)部不同點(diǎn)溫度的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值波動(dòng)較大，最高溫度與最低溫度相差4 K。工況2風(fēng)管加裝環(huán)形導(dǎo)流板，球罐內(nèi)部不同點(diǎn)溫度的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值較均勻，最高溫度與最低溫度相差2 K，氣流均勻，流場(chǎng)分布均勻。

表1 工況1球罐型360°搖青機(jī)茶葉做青溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值

表2 工況2球罐型360°搖青機(jī)茶葉做青計(jì)算值與實(shí)測(cè)值溫度

傳統(tǒng)搖青機(jī)與球罐型搖青機(jī)在相同做青工藝參數(shù)(吹風(fēng)時(shí)間、搖青時(shí)間、晾青時(shí)間、做青次數(shù))下進(jìn)行做茶品質(zhì)比較，做青茶樣經(jīng)殺青、揉捻、烘干工藝最終形成毛茶。參照GB/T 23776—2009及文獻(xiàn)[13]對(duì)毛茶茶樣的外形、香氣、滋味、湯色及葉底進(jìn)行感官審評(píng)。

由表3可知，新機(jī)型茶葉做青品質(zhì)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)滾筒式搖青機(jī)，茶葉品質(zhì)提升一個(gè)等級(jí)，說(shuō)明球罐型搖青機(jī)在X、Y軸兩個(gè)方向全方位旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)了無(wú)死角搖青，茶葉與茶葉、茶葉與搖青滾筒內(nèi)壁相互接觸碰撞，強(qiáng)化了茶葉做青機(jī)械運(yùn)動(dòng)力和機(jī)械摩擦力，搖青質(zhì)量高。同時(shí)，加裝環(huán)形導(dǎo)流板送風(fēng)管能改善流場(chǎng)、適當(dāng)增加風(fēng)阻，熱風(fēng)更容易從風(fēng)管導(dǎo)流進(jìn)入球罐，球罐通風(fēng)對(duì)流效果好，整個(gè)球罐氣流更均勻。球罐體流場(chǎng)溫度均勻、空氣通透能保證做青鮮茶葉的生物活性，有利于茶葉做青品質(zhì)。

4 結(jié)論

(1) 針對(duì)現(xiàn)有滾筒式搖青機(jī)工作過(guò)程中流場(chǎng)分布不均勻?qū)е虏枞~做青品質(zhì)參差不齊的問題，設(shè)計(jì)了球罐型360°茶葉搖青機(jī)總體方案、搖青機(jī)球罐體和球罐架、機(jī)架、送風(fēng)管等結(jié)構(gòu)并整機(jī)虛擬裝配。

(2) 對(duì)球罐型360°茶葉搖青機(jī)送風(fēng)管進(jìn)行優(yōu)化，采用數(shù)值模擬方法對(duì)送風(fēng)管加裝環(huán)形擋風(fēng)圈導(dǎo)流板前后的球罐體流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算對(duì)比。結(jié)果表明：送風(fēng)管中合理布置環(huán)形擋風(fēng)圈導(dǎo)流板，在小幅度提高流阻的前提下能夠增加球罐內(nèi)部氣流向罐內(nèi)四周流動(dòng)，整個(gè)球罐溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的氣流均勻性得到有效改善，茶葉做青溫度均勻及增加通風(fēng)對(duì)流能有效提升茶葉品質(zhì)，有利于茶葉搖青工藝。

表3 傳統(tǒng)搖青機(jī)與球罐型360°搖青機(jī)毛茶審評(píng)結(jié)果

(3) 球罐型360°茶葉搖青機(jī)風(fēng)管加裝導(dǎo)流板，球罐內(nèi)部不同點(diǎn)的實(shí)測(cè)最高溫度與最低溫度相差2 K，球罐內(nèi)氣流分布均勻，與模擬仿真結(jié)果相吻合。在相同做青工藝參數(shù)(吹風(fēng)時(shí)間、搖青時(shí)間、晾青時(shí)間、做青次數(shù))下，新機(jī)型茶葉做青品質(zhì)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)滾筒式搖青機(jī)，茶葉品質(zhì)提升了一個(gè)等級(jí)。

(4) 球罐型360°茶葉搖青機(jī)送風(fēng)管結(jié)構(gòu)還有待優(yōu)化，如進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)管中第2塊導(dǎo)風(fēng)圈的尺寸以及與第3塊導(dǎo)風(fēng)圈軸向距離，可以改善此區(qū)域送風(fēng)管周邊的流場(chǎng)。此外，在送風(fēng)管內(nèi)外部加傾斜式的導(dǎo)風(fēng)板，可改善罐體內(nèi)氣流流動(dòng)，避免頂部氣流沖向罐底部。