節(jié)能型遠(yuǎn)紅外熱輻射殺青機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

任彩紅，李 杰，宋志禹，楊 光，梅 松，蔣清海*

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京 210014；2.日照春茗機(jī)械制造有限公司，山東日照 276816）

0 引言

我國茶葉種植面積和總產(chǎn)量均為世界前列，出口量逐年提升，其中綠茶約占80%。殺青是綠茶加工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，主要核心技術(shù)是通過短時(shí)高溫破壞茶鮮葉中的多酚氧化酶的活性，防止發(fā)生褐變，減少出現(xiàn)紅梗紅葉的現(xiàn)象[1-3]。目前，市場上的茶葉殺青機(jī)械主要依靠熱傳導(dǎo)和熱對流的方式進(jìn)行作業(yè)，熱效率普遍偏低，同時(shí)，殺青品質(zhì)不穩(wěn)定，高度依賴于操作工人的經(jīng)驗(yàn)與操作水平?，F(xiàn)有的近紅外在線檢測技術(shù)尚未達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用水平，提高加工效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高自動(dòng)化水平、降低能耗越來越被市場重視[4]。本文闡述了國內(nèi)外茶葉殺青機(jī)的研究現(xiàn)狀，分析了各種殺青技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了節(jié)能型遠(yuǎn)紅外熱輻射殺青機(jī)的主要機(jī)械構(gòu)造及工作原理，并對作業(yè)效果進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上指出了我國茶葉殺青機(jī)研究存在的不足和發(fā)展建議。

1 殺青機(jī)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

我國自20世紀(jì)50年代起便開始應(yīng)用鍋式殺青機(jī)，為了提高作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)連續(xù)化作業(yè)，70年代后成功研發(fā)出了滾筒式殺青機(jī)，并迅速在國內(nèi)外推廣應(yīng)用，日本研發(fā)出了蒸汽殺青機(jī)并在日本推廣應(yīng)用至今，我國引進(jìn)了一批但因?yàn)轱L(fēng)味同國內(nèi)傳統(tǒng)炒青、烘青差異過大，目前只在湖北恩施保留了完整的蒸青加工工藝。21世紀(jì)新技術(shù)不斷引入茶葉加工行業(yè)，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所首創(chuàng)了茶葉微波殺青機(jī)，并迅速在全國茶區(qū)推廣應(yīng)用，浙江上洋茶機(jī)廠研發(fā)的熱風(fēng)殺青機(jī)解決了滾筒殺青機(jī)“水悶氣”的問題，目前共有燃?xì)馐?、燃油式、和燃電式多種形式熱風(fēng)殺青機(jī)。浙江余姚研發(fā)了一種電磁殺青機(jī)解決了傳統(tǒng)電加熱殺青機(jī)預(yù)熱時(shí)間長、能耗高的問題，市場上已廣泛應(yīng)用，另外還有蒸汽加熱殺青機(jī)、光波殺青機(jī)、殺青理?xiàng)l復(fù)合機(jī)等系列機(jī)型成功研發(fā)，為茶葉生產(chǎn)提供了多種選擇。

目前，國內(nèi)外殺青機(jī)主要有：滾筒殺青機(jī)（燃電、燃煤、燃?xì)猓?，微波殺青機(jī)、光波殺青機(jī)、電磁殺青機(jī)、熱風(fēng)殺青機(jī)和蒸青殺青機(jī)[5]等，如表1所示。滾筒殺青機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，是目前應(yīng)用最廣泛的殺青機(jī)，但其采用的是熱傳導(dǎo)式的加熱方式，預(yù)熱時(shí)間一般超過30 min，半敞開式結(jié)構(gòu)保溫性較差，殺青過程中極易出現(xiàn)“水悶氣”和“魚眼泡”現(xiàn)象，作業(yè)完冷卻時(shí)間較長，能耗高、熱效率低[6]。微波殺青機(jī)不需預(yù)熱，殺青葉顏色翠綠、外觀評分高，但普遍存在香氣不足、不持久的現(xiàn)象，同時(shí)存在能耗高、發(fā)生器等元器件更換成本高、作業(yè)效率同滾筒相比較低等問題，故近年來應(yīng)用數(shù)量逐漸減少。光波殺青機(jī)采用微波和紅外復(fù)合作業(yè)，彌補(bǔ)單一微波殺青香氣不足的問題，但因設(shè)備操作相對復(fù)雜、檢修周期短，操作不便，故未得到大面積推廣應(yīng)用。電磁殺青機(jī)利用高頻電場加熱滾筒，具有預(yù)熱速度快、操作簡便的特點(diǎn)，能耗較傳統(tǒng)電加熱滾筒大幅降低，但成本較高。熱風(fēng)殺青機(jī)采用熱對流的方式快速帶走殺青葉表面水分，適合加工含水量大的鮮葉，目前大多數(shù)殺青機(jī)沒有配備熱量回收裝置，故熱效率較低，一般采用天然氣或電加熱，成本較高[7]。蒸青殺青機(jī)利用高溫蒸汽穿透性強(qiáng)的特性，使鮮葉快速升溫不易焦葉，生產(chǎn)效率高，但茶葉風(fēng)味與傳統(tǒng)加工方式差異較大，故只在部分茶區(qū)推廣應(yīng)用。主要?dú)⑶嘌b備如圖1所示。

表1 國內(nèi)外典型殺青機(jī)技術(shù)裝備特點(diǎn)

圖1 國內(nèi)外典型殺青機(jī)技術(shù)裝備

目前，市場應(yīng)用的茶葉殺青裝備普遍存在一些問題：①熱效率低。滾筒殺青機(jī)熱效率只有35%左右。②熱慣性大，預(yù)熱和冷卻時(shí)間長，只能實(shí)現(xiàn)簡單的通斷，金屬滾筒加熱后無法實(shí)現(xiàn)溫度精確控制。③數(shù)字化程度低。設(shè)備加工工藝不標(biāo)準(zhǔn)，同一批設(shè)備、統(tǒng)一位置測溫不一致，加工過程中各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)字化難度大，茶葉殺青品質(zhì)的高低主要取決于操作工人的經(jīng)驗(yàn)與操作水平提高生產(chǎn)效率[8-9]。降低加工成本，茶葉殺青設(shè)備的連續(xù)性、自動(dòng)化程度越來越受到重視，低能耗、智能化控制的連續(xù)型茶葉殺青機(jī)的研制是當(dāng)前茶葉初制作業(yè)中急需解決的問題，對現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)的意義非常重大。針對上述殺青作業(yè)難題，本項(xiàng)目研發(fā)了一種節(jié)能型遠(yuǎn)紅外熱輻射殺青機(jī)，采用遠(yuǎn)紅外熱源，較傳統(tǒng)滾筒殺青機(jī)節(jié)能30%以上。

2 節(jié)能型遠(yuǎn)紅外熱輻射殺青機(jī)主要結(jié)構(gòu)及原理

2.1 主要結(jié)構(gòu)

節(jié)能型遠(yuǎn)紅外熱輻射殺青機(jī)主要由殺青滾筒、排濕風(fēng)機(jī)、遠(yuǎn)紅外輻射板、取電滑環(huán)、托輥、出料裝置、降溫風(fēng)扇、機(jī)架、驅(qū)動(dòng)裝置、上料裝置構(gòu)成（見圖2）。外部裝有隔熱材料，不銹鋼包裹，采用滑環(huán)—碳刷裝置為排濕風(fēng)扇、遠(yuǎn)紅外輻射板持續(xù)供電，遠(yuǎn)紅外輻射板安裝在順時(shí)針方向45°～55°之間（可調(diào)），作業(yè)時(shí)直接照射茶葉，預(yù)熱時(shí)間短。自動(dòng)控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)遠(yuǎn)紅外輻射裝備的輸出功率和傳動(dòng)裝置的速率，滿足不同茶葉加工工藝要求。節(jié)能型遠(yuǎn)紅外熱輻射殺青機(jī)與傳統(tǒng)同類型電加熱滾筒殺青機(jī)主要性能參數(shù)對比見表2。

圖2 節(jié)能型遠(yuǎn)紅外熱輻射殺青機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

表2 主要性能參數(shù)對比表

2.2 工作原理

作業(yè)時(shí)，茶鮮葉由上料裝置進(jìn)入滾筒，沿螺旋導(dǎo)葉板連續(xù)拋翻，遠(yuǎn)紅外輻射板直接照射茶鮮葉，使其迅速升溫。第一排濕風(fēng)扇安裝在滾筒的表面并隨著滾筒同步旋轉(zhuǎn)，控制器控制第一排濕風(fēng)扇啟停；第一排濕風(fēng)扇在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周內(nèi)經(jīng)歷一次開啟和一次關(guān)閉，開啟位置對應(yīng)滾筒內(nèi)茶葉的起拋點(diǎn)或者起拋點(diǎn)之后，避免第一排濕風(fēng)扇吸附茶葉，能夠提高排濕效果，防止出現(xiàn)“水悶氣”。殺青過程中自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)遠(yuǎn)紅外輻射裝備的輸出功率和傳動(dòng)裝置的速率，保持殺青品質(zhì)一致，完成殺青作業(yè)（見圖3）。

圖3 節(jié)能型遠(yuǎn)紅外熱輻射殺青機(jī)

2.3 茶葉運(yùn)動(dòng)軌跡及熱源布置

殺青作業(yè)時(shí)，殺青葉在自身重力，慣性離心力，筒體正壓力，殺青葉間及與筒體間的摩擦力的共同作用下，沿滾筒順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，遠(yuǎn)紅外熱輻射加熱板安裝在右上方，茶葉到達(dá)拋落點(diǎn)后，右上方有一個(gè)真空區(qū)域，茶葉不會(huì)堵塞（見圖4）。同時(shí)，在拋落過程中，茶葉比較松散，容易接受熱量和散發(fā)水汽，保證茶葉品質(zhì)[10]。

圖4 遠(yuǎn)紅外輻射板安裝位置示意圖

茶葉在筒體內(nèi)運(yùn)動(dòng)狀況的決定性因素是筒體轉(zhuǎn)速和筒體半徑。若筒體半徑為R，A點(diǎn)為殺青葉拋出點(diǎn)，拋出點(diǎn)A與筒體軸心O的連線OA與鉛垂線的脫離角為β（見圖5）。

圖5 茶葉運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

由式（1）可以看出：筒體內(nèi)不同半徑處葉層內(nèi)茶葉質(zhì)點(diǎn)在同一轉(zhuǎn)速下，脫離角不同。處于相同半徑葉層內(nèi)的茶葉質(zhì)點(diǎn)脫離角相同，脫離角大小決定于轉(zhuǎn)速[11]。

2.4 全排濕裝置

全排濕指在加工過程中，實(shí)現(xiàn)殺青滾筒全過程、全腔體排濕，解決傳統(tǒng)單出料口排濕出現(xiàn)的“水悶氣”問題，提高茶葉品質(zhì)。間隔180°安裝2組排濕風(fēng)扇，各組在滾筒旋轉(zhuǎn)至拋落點(diǎn)后啟動(dòng)，旋轉(zhuǎn)180°后暫停。此時(shí)，另外一組正好到達(dá)拋落點(diǎn)，通電啟動(dòng)，一方面避免排濕過程中吸附茶葉，另一方面實(shí)現(xiàn)作業(yè)過程中的全滾筒排濕。

電刷機(jī)構(gòu)由集電環(huán)和碳刷等組成，用于給動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)部件供電。解決滾筒旋轉(zhuǎn)過程中排濕風(fēng)扇的供電問題。

3 應(yīng)用效果

2022年5月在日照市東港區(qū)后村鎮(zhèn)進(jìn)行性能試驗(yàn)（詳見表3）。此次試驗(yàn)主要內(nèi)容是測試設(shè)備的節(jié)能效果、殺青品質(zhì)，同時(shí)與傳統(tǒng)電加熱滾筒、微波殺青機(jī)做了對照實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)用茶樹品種為福鼎大白，鮮葉等級為一芽三葉。試驗(yàn)茶樣由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院檢測并出具檢測報(bào)告。

表3 能耗試驗(yàn)記錄表

加工后的茶樣分別取3份，共計(jì)9份茶樣，送至江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院檢測并出具檢測報(bào)告，內(nèi)含物檢測和感官評審結(jié)果如表4、5所示，其中同一種工藝設(shè)備加工的3份茶樣取平均值。

表4 內(nèi)含物檢測報(bào)告

4 結(jié)果分析

從三種殺青試驗(yàn)設(shè)備能耗數(shù)據(jù)可以看出，在相同茶鮮葉量（50 kg）等條件下，CSW-30型微波殺青機(jī)能耗44.4 kW，預(yù)熱4.5 min，殺青耗時(shí)94 min，6CS-100（D）滾筒殺青機(jī)能耗196.1 kW，預(yù)熱30 min，殺青耗時(shí)70 min。6CS-100（Y）遠(yuǎn)紅外熱輻射殺青機(jī)能耗41.6 kW，預(yù)熱5 min，殺青耗時(shí)35 min，6CS-100（Y）遠(yuǎn)紅外熱輻射殺青機(jī)預(yù)熱時(shí)間僅需5 min，僅為6CS-100（D）滾筒殺青機(jī)的16.7%；較CSW-30型微波殺青機(jī)和6CS-100（D）滾筒殺青機(jī)分別節(jié)約能耗6.3%和78.7%。

從內(nèi)含物檢測報(bào)告中可以看出，茶樣中游離氨基酸、咖啡堿、維生素C和葉綠素（a、b）含量基本不變、而茶多酚含量波動(dòng)變化較大。其中，遠(yuǎn)紅外輻射殺青機(jī)處理的茶葉茶多酚含量最低16.4%，不經(jīng)熱輻射處理的茶樣茶多酚含量為達(dá)21.8%，相差5.4%，茶多酚含量降低顯著。

從茶葉感官審評檢測報(bào)告可以看出，茶樣中6CS-100（Y）遠(yuǎn)紅外熱輻射殺青機(jī)處理的加工的茶葉總分（最高89.85）較CSW-30型微波殺青機(jī)處理的茶葉總分（最低86.7）要高3.5%，遠(yuǎn)紅外輻射殺青機(jī)加工的茶葉香氣分?jǐn)?shù)高達(dá)92，遠(yuǎn)紅外輻射殺青裝備對提高茶葉品質(zhì)具有顯著效果。

5 結(jié)論

6CS-100（Y）遠(yuǎn)紅外熱輻射殺青機(jī)節(jié)能效果顯著，對降低夏秋茶苦澀味有顯著作用，茶葉茶多酚含量普遍降低5%左右，游離氨基酸、咖啡堿、維生素C和葉綠素（a、b）等內(nèi)含物含量基本不變，不破壞茶葉中其它營養(yǎng)物質(zhì)，對提高茶葉品質(zhì)，降低苦澀味有顯著作用；6CS-100（Y）遠(yuǎn)紅外熱輻射殺青機(jī)處理后的茶葉香氣提高5%左右，茶葉品質(zhì)提高明顯，感官審評總體提高3%左右。

表5 內(nèi)含物檢測報(bào)告

6 發(fā)展建議

茶葉殺青裝備是茶葉加工中不可或缺的裝備之一，隨著“碳中和”“碳達(dá)峰”等相關(guān)政策的要求，節(jié)能減排勢在必行，其中能耗較高的殺青裝備的提檔升級迫在眉睫，針對現(xiàn)有裝備技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展需求，提出茶葉殺青技術(shù)裝備發(fā)展建議：

1）加大政策引導(dǎo)，集中優(yōu)勢資源突破“卡脖子”技術(shù)。茶葉殺青過程中的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)數(shù)字化問題一直沒有解決，受限于制造工藝不標(biāo)準(zhǔn)，在線檢測技術(shù)精確度低，現(xiàn)有能源形式無法精準(zhǔn)調(diào)控等，因此未來應(yīng)制定統(tǒng)一制造標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)突破在線檢測和高精度傳感器等技術(shù)，促進(jìn)茶葉殺青等加工環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化。

2）加大智能化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化單機(jī)研發(fā)。目前市場上裝備普遍為定制化，不同廠家設(shè)備不通用，以殺青機(jī)為例，不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備進(jìn)出料高度、開口尺寸等參數(shù)差異過大，容易造成浪費(fèi)。加強(qiáng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與理論研究，探索節(jié)能技術(shù)與裝置，優(yōu)化作業(yè)參數(shù)，加強(qiáng)自動(dòng)化、智能化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)殺青裝備單機(jī)智能化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，提升作業(yè)質(zhì)量與效益。