以碳基發(fā)熱涂層為熱源的新型炒茶機(jī)

秦燦珂 陳星蔓 張金瑤 吳慎將 李黨娟

(西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院， 陜西 西安 710032)

中國傳統(tǒng)茶葉制作過程主要包括殺青和揉茶，殺青即炒茶，是指在翻炒鍋中使茶葉逐漸干燥的一種手法[1]，揉茶即在每次殺青后手工揉捻使茶葉的水分快速蒸發(fā)并塑形的過程，殺青和揉茶要根據(jù)不同的茶葉種類往復(fù)進(jìn)行多次[2]。這種傳統(tǒng)手工制茶制作過程全憑炒茶師傅的經(jīng)驗(yàn)判斷，存在茶葉品質(zhì)不一，灶火加熱不環(huán)保，衛(wèi)生狀況不能保證，高溫可能對(duì)工人造成傷害等缺點(diǎn)[3]。

在1958年研制出的“58型鍋式殺青機(jī)”，經(jīng)不斷改進(jìn)定型為6CS84型殺青機(jī)后曾被廣泛應(yīng)用[4]，這種機(jī)器雖然可以模擬人工炒茶，但是溫度不可控，次品率高。為了克服鍋式炒茶機(jī)的缺點(diǎn)，陳尊詩等[5]研制出了滾筒式茶葉殺青機(jī)，其在茶葉殺青機(jī)器中占據(jù)了大部分市場。微波茶葉殺青機(jī)是利用微波進(jìn)行加熱[6]，具有加熱均勻且對(duì)茶葉損傷較小的優(yōu)點(diǎn)，但其造價(jià)過高。熱風(fēng)式茶葉殺青機(jī)是利用高溫?zé)犸L(fēng)來炒制茶葉，殺青效率高，但是碎茶率過高[7]。基于碳基涂層發(fā)熱材料已被應(yīng)用于電加熱取暖、烘箱及烤爐等領(lǐng)域，是一種面狀加熱新技術(shù)，具有加熱面積大、急速發(fā)熱、熱場均勻、安全性高、耗電少、控溫精確、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)[8]。研究擬設(shè)計(jì)一種以碳基發(fā)熱涂層為加熱源的殺青裝置，將殺青和揉茶過程結(jié)合起來的傳送裝置，實(shí)現(xiàn)茶葉制作過程全自動(dòng)化，旨在減少茶葉制作過程人工勞動(dòng)量以及提高茶葉成品質(zhì)量。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以茶葉制作工藝中“三殺三揉”的工藝要求為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)具有殺青、揉捻、翻炒等功能的炒茶機(jī)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)茶葉由殺青皿→揉搓盤→殺青皿的轉(zhuǎn)移功能。裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1. 加熱器皿 2. 攪拌器 3. 可閉合開口 4. 機(jī)架 5. 揉搓盤 6. 揉搓塊 7. 橡膠塞 8. 流轉(zhuǎn)管道 9. 管道收縮開口圖1 裝置總體圖Figure 1 General drawing of the device

茶葉在殺青過程中需不斷攪拌，攪拌力度通過步進(jìn)電機(jī)控制。茶葉在殺青皿內(nèi)完成一次殺青后，需要轉(zhuǎn)移至揉搓裝置進(jìn)行揉搓。在殺青皿側(cè)壁設(shè)計(jì)一個(gè)可控制開合的通道，如圖2所示，通過滾珠絲杠電機(jī)控制滑動(dòng)擋板上下移動(dòng)。利用殺青皿和揉搓盤的高度差，將殺青皿的機(jī)架傾斜20°，在殺青完成后，茶葉即可在自身重力作用下由殺青皿滑入揉搓盤。

圖2 殺青皿側(cè)壁通道Figure 2 Side wall channel of sterilizer

傳統(tǒng)的茶葉加工機(jī)均是殺青裝置與揉捻裝置分離式的，茶葉從殺青到揉搓環(huán)節(jié)還需要人工轉(zhuǎn)移，為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)茶葉制作過程的自動(dòng)化，設(shè)計(jì)了一套傳輸裝置。該傳輸裝置以一個(gè)U型管道為基礎(chǔ)，將揉茶機(jī)構(gòu)與殺青機(jī)構(gòu)結(jié)合起來，在管道內(nèi)部放入一枚橡膠塞，在電機(jī)的牽引下可以在管內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在橡膠塞的推動(dòng)下，茶葉可以在揉捻后再次進(jìn)入殺青器皿，從而實(shí)現(xiàn)多次殺青和揉捻。

2 碳基發(fā)熱涂層

2.1 涂層涂覆工藝

利用金屬電熱絲加熱方式不能覆蓋整個(gè)殺青器皿，不可避免出現(xiàn)溫度不均勻的情形，采用發(fā)熱涂層作為熱源可以保證整個(gè)器皿加熱均勻。

為了提高發(fā)熱涂層發(fā)熱效率，通常將發(fā)熱漿料直接涂敷在石英玻璃基底上，但是由于界面結(jié)合力弱，容易造成涂層在工作過程中，特別是急速升溫急速降溫情況下，涂層脫落。為了解決這個(gè)問題，將碳基發(fā)熱涂層采用以下工藝[9]涂覆到石英玻璃制成的殺青器皿底部。

(1) 器皿選則：選用可見光到近紅外波段透過率較高的石英玻璃，超聲波清洗干凈后，用氮?dú)獯蹈?，放置在具有離子源的鍍膜機(jī)內(nèi)。

(2) 等離子體預(yù)處理：使真空度達(dá)到2.0×10-2Pa，打開離子源，預(yù)熱5 min，將離子源3的能量設(shè)置為1 000 eV，對(duì)基底進(jìn)行5 min轟擊后，關(guān)閉離子源3及電源。離子源3生成的等離子體轟擊石英玻璃表面，將石英玻璃表面的雜質(zhì)以及不穩(wěn)定的分子轟擊掉，使得石英玻璃表面局部形成微孔。

(3) 涂覆發(fā)熱涂層：在等離子體處理過的石英玻璃表面涂覆一層濃度為10%的低濃度發(fā)熱涂層漿料，放置于充入含量95%以上氮?dú)獾暮婵鞠渲校?50 ℃低溫烘烤30～60 min。因此，基底材料的微孔內(nèi)會(huì)滲入發(fā)熱涂層漿料，相當(dāng)于在微觀上增大了漿料與基底的附著力，經(jīng)過加熱烘烤，加熱涂層能更加充分地滲入基底微孔，與基底充分接觸，附著力進(jìn)一步增大。最后，均勻涂覆正常濃度的發(fā)熱涂層漿料，并于含氮?dú)夂婵鞠渲?50 ℃烘烤30 min,使得漿料與基底的熱變形相適應(yīng)，不會(huì)因熱差導(dǎo)致塑性斷裂，提高了石英玻璃的穩(wěn)定性。

2.2 涂層發(fā)熱原理

將碳基發(fā)熱涂層涂覆至基材上固化成膜后，給涂膜的兩端通過施加一定的外加電壓形成導(dǎo)電回路，實(shí)現(xiàn)發(fā)熱升溫，涂層固化后在一定電場作用下實(shí)現(xiàn)電阻加熱，發(fā)熱功率為：

(1)

式中：

P——發(fā)熱功率，W；

U——外加電壓，V；

R——涂層電阻，Ω。

試驗(yàn)所用碳基涂層方阻為30 Ω，涂覆層數(shù)10層，因此總電阻為300 Ω，所接電壓為220 V，總功率為161.3 W。

碳基發(fā)熱涂層材料發(fā)熱性能優(yōu)良，相比金屬電熱絲熱轉(zhuǎn)換效率更高[10]。同時(shí)碳基發(fā)熱涂層溫度響應(yīng)時(shí)間非常短，例如石墨烯制成的電熱材料在1.61 V的外加電壓下只需要7.5 s就可以使其表面溫度達(dá)到200 ℃以上[11]。

3 系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

炒茶裝置控制部分的設(shè)計(jì)最主要就是對(duì)茶葉殺青時(shí)涂層溫度的測量及控制，對(duì)電機(jī)的控制以及溫度顯示，設(shè)計(jì)的炒茶裝置電路系統(tǒng)總方案如圖3所示，主要包括溫度采集、溫度控制、主控、顯示輸入、電機(jī)控制等模塊。

圖3 系統(tǒng)方案圖Figure 3 System scheme diagram

主控模塊是以STM32ZET6作為主控芯片，對(duì)整個(gè)茶葉制作過程進(jìn)行控制；溫度采集包括K型熱電偶和MAX6675數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，對(duì)需要采集的鍋底溫度進(jìn)行一次200 ms的采集；溫度控制是由通過驅(qū)動(dòng)SSR固態(tài)繼電器控制發(fā)熱涂層加熱完成的，主要是對(duì)鍋底溫度進(jìn)行恒溫控制，達(dá)到殺青所需溫度；顯示屏對(duì)當(dāng)前鍋底的溫度值進(jìn)行顯示，以保證可以實(shí)時(shí)觀測當(dāng)前鍋底的溫度，以便于進(jìn)行調(diào)整；電機(jī)控制模塊起到控制攪拌力度和揉茶力度，以及對(duì)茶葉傳輸?shù)目刂啤?/p>

溫度的測量方式有兩種：接觸式溫度測量和非接觸式溫度測量。該設(shè)計(jì)炒茶鍋與整體設(shè)計(jì)為一體，處于相對(duì)靜止的狀態(tài)，故采用K型熱電偶接觸式溫度測量。

設(shè)計(jì)多采用的發(fā)熱涂層可以通過固態(tài)繼電器進(jìn)行溫度控制，可以在使用時(shí)做到無觸點(diǎn)、無火花的接通和斷開電路。固態(tài)繼電器SSR各個(gè)引腳和主控芯片的連接如圖4所示。SSR的輸入端1接高電平，4接I/O口。利用I/O口輸出具有高低電平特性的PWM信號(hào)，來控制SSR接通和斷開的時(shí)間從而控制發(fā)熱涂層加熱功率，進(jìn)而控制炒茶溫度。輸出端3接220 V交流電源，2接發(fā)熱涂層。

圖4 固態(tài)繼電器引腳連接圖Figure 4 Solid state relay pin connection diagram

根據(jù)茶葉制作流程，設(shè)計(jì)炒茶裝置工作流程控制程序如圖5所示。

圖5 炒茶流程圖Figure 5 Flow chart of tea frying

設(shè)置好溫度、時(shí)間、電機(jī)轉(zhuǎn)速后，主程序?qū)?huì)調(diào)用溫度采集模塊對(duì)應(yīng)的溫度采集程序，完成溫度信號(hào)的采集工作，并將采集到的溫度顯示至OLED顯示屏上，采集到鍋底溫度后，與設(shè)定的溫度進(jìn)行對(duì)比，通過PID算法進(jìn)行溫度的控制[12]。加熱時(shí)間也可以根據(jù)不同的制茶工藝設(shè)置，加熱的同時(shí)，主控芯片控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌茶葉。加熱完成后，打開滑動(dòng)擋板，茶葉進(jìn)入揉搓裝置，電機(jī)控制模塊控制揉搓電機(jī)工作，揉搓時(shí)間也可以自由設(shè)定。揉搓完成后，可以控制牽引橡膠塞的電機(jī)，將茶葉再次轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)殺青器皿進(jìn)行下一次加熱揉搓，循環(huán)次數(shù)可以設(shè)置。

4 理論分析

茶葉在殺青過程中需要不停地?cái)嚢枰允共枞~受熱更加均勻。攪拌力度過小達(dá)不到均勻加熱的效果，攪拌力度過大則會(huì)破壞茶葉的結(jié)構(gòu)，造成碎茶率過高。因此，根據(jù)式(2)計(jì)算需要負(fù)載最大扭矩。

T=(m1+m2)μgsinθ·r，

(2)

式中：

T——負(fù)載最大扭矩，N·m；

m1、m2——茶葉質(zhì)量和攪拌器質(zhì)量，kg；

μ——摩擦系數(shù)；

θ——?dú)⑶嗥髅笈c地面夾角，°；

r——攪拌器半徑，m。

加熱皿與地面夾角為20°，根據(jù)傳統(tǒng)炒茶經(jīng)驗(yàn)，制作1 kg成品茶葉需要4 kg左右新茶，攪拌器轉(zhuǎn)速60 r/min,攪拌器半徑0.06 m，攪拌器質(zhì)量為1 kg，g取9.8 m/s2,摩擦系數(shù)0.15，代入式(2)可求得負(fù)載最大扭矩約為1.51 N·m。

按式(3)可計(jì)算出所需電機(jī)功率。

P=Tn/9.55，

(3)

式中：

P——攪拌電機(jī)功率，W；

n——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，可求出所需電機(jī)功率為189.74 W，綜合考慮，選取功率為200 W的電機(jī)即可。

5 試驗(yàn)與結(jié)果

5.1 揉搓塑形試驗(yàn)

為了驗(yàn)證炒茶機(jī)的使用性能，進(jìn)行炒茶試驗(yàn)，并對(duì)茶葉成品品質(zhì)進(jìn)行分析。選取綠茶作為試驗(yàn)對(duì)象，選取相同品種、相同嫩度的茶葉分別以人工和炒茶機(jī)進(jìn)行茶葉制作。人工試驗(yàn)由一名熟練工進(jìn)行操作，炒茶機(jī)則按照制茶工藝經(jīng)驗(yàn)，將制茶的工藝參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)，包括殺青溫度、揉捻機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速、工作時(shí)間等。為確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每種茶葉進(jìn)行兩組試驗(yàn)取平均值，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

由表1可知，炒茶機(jī)制作的茶葉成條率比人工制作的高1%，兩種制作方式的茶葉斷裂率和碎末率相差不大。但人工制茶對(duì)于工人的熟練程度要求很高，且工作效率較低，人工成本較高；炒茶機(jī)在開啟參數(shù)設(shè)置后運(yùn)轉(zhuǎn)正常，工作效率較高。

表1 茶葉制作試驗(yàn)Table 1 Tea making test %

5.2 殺青效果試驗(yàn)

選取品種相同，同批采摘的綠茶鮮葉進(jìn)行殺青試驗(yàn)。茶葉分別由采用電熱絲加熱的傳統(tǒng)炒茶機(jī)和由發(fā)熱涂層加熱的新型炒茶機(jī)進(jìn)行殺青，每組機(jī)器投放濕茶葉各5 kg，殺青時(shí)間均為3 min，溫度設(shè)置為200 ℃。參照 GB/T 23776—2009 和文獻(xiàn)[13]對(duì)殺青過后茶葉的外形、香氣及葉底進(jìn)行感官審評(píng)。外形、香氣和葉底占總評(píng)比重分別為30%，35%，35%。

由表2可知，經(jīng)涂層加熱制作的茶葉在外形、香氣和葉底評(píng)分上均略優(yōu)于傳統(tǒng)電熱絲加熱制作的茶葉，可以有效提高茶葉的制作品質(zhì)。

表2 茶葉殺青試驗(yàn)Table 2 Experiment on green elimination of tea

6 結(jié)論

使用碳基發(fā)熱涂層作為茶葉殺青熱源，提高了茶葉殺青效率和質(zhì)量，降低了茶葉殺青功耗。優(yōu)化的炒茶機(jī)整機(jī)功耗最大1 kW，整機(jī)尺寸為350 mm×150 mm×280 mm?；赟TM32設(shè)計(jì)了溫度探測、溫度控制及顯示、炒茶揉茶切換等電路模塊，溫控范圍為20～400 ℃，溫控精度±1 ℃。使用試驗(yàn)裝置進(jìn)行揉搓茶葉可以得到略高于人工的成條率，殺青效果也優(yōu)于傳統(tǒng)的殺青方式。后續(xù)可以研究增加容器體積情況下發(fā)熱涂層的加熱效果，進(jìn)一步提高茶葉制作的生產(chǎn)效率。