陳加友

(黎明職業(yè)大學(xué)，福建 泉州 362007)

制茶過程中茶葉烘干是必不可少的工序，烘干過程中茶葉在去除水分同時還伴隨著熱化學(xué)變化，使得茶葉更色香味俱全[1-3]。從物理學(xué)角度觀察，茶葉干燥是一個質(zhì)熱交換的過程，茶葉受到熱空氣后，茶葉內(nèi)部的水分向表皮外移動，排出茶葉內(nèi)部的水分，達到干燥效果[4-7]。在實際的生產(chǎn)中，農(nóng)產(chǎn)品物料干燥為大批量連續(xù)作業(yè)過程，由于在干燥設(shè)備內(nèi)物料分布和使用的設(shè)備熱源不同，導(dǎo)致同一批次物料干燥品質(zhì)差異性巨大。因此，干燥箱內(nèi)的物料和熱源分布的均勻性成為干燥工藝的研究重點[7-9]。

在茶葉干燥的過程中，需要解決受熱不均勻的問題。目前，茶葉干燥工藝研究較少，需要借鑒農(nóng)產(chǎn)品的果蔬干燥工藝，探究新的茶葉干燥工藝，為茶葉干燥設(shè)備的設(shè)計提供理論支撐。俞建鋒等[10]通過采用微波分散方法，考察微波能量分布及物料運動方式等對干燥均勻性的影響，研究結(jié)果表明提高微波分散均勻性與優(yōu)化物料在微波腔內(nèi)相對運動可以明顯改善胡蘿卜干燥的均勻性；吳繼忠等[11]采用近紅外光譜分析技術(shù)分析茶葉在干燥的過程中水分散失的速率，為茶葉干燥過程的品質(zhì)數(shù)字化和智能化控制提供方法；明延玉等[12]利用太陽能集熱與熱泵聯(lián)合干燥工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的干燥方法，能夠解決干燥系統(tǒng)能量供應(yīng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性問題，節(jié)約能源36.7%～41.1%，節(jié)能效果更加顯著；李兵等[13]基于遠紅外熱源與六安瓜片傳統(tǒng)烘焙工藝，設(shè)計了轉(zhuǎn)盤式六安瓜片烘干機，對時間與溫度的調(diào)控更為精確，與人工傳統(tǒng)烘焙相比結(jié)果更優(yōu)，但在溫度場均勻性上仍有優(yōu)化空間；Benhamza Abderrahmane等[14]基于計算流體力學(xué)和圖像處理等分析手段，對間接式太陽能干燥器干燥過程的均勻性進行分析，認為通過參數(shù)研究獲得合適的干燥室空氣分布對于保證產(chǎn)品的均勻干燥至關(guān)重要；Jiang Mengxiang等[15]通過擺動溫度、交替氣流以及振動各方面交互耦合的方式，進一步增強了干燥均勻性，為繼續(xù)增加層厚提供了新的解決方案；在茶葉烘焙工藝中，林新英[16]基于Pro/E設(shè)計了圓形箱體結(jié)構(gòu)的電熱式茶葉烘焙機，但由于各層物料距離熱源遠近不同，整體干燥均勻性仍有較大提升空間。綜上所述，茶葉干燥技術(shù)仍缺少成熟的設(shè)備，茶葉箱式烘焙機是將新鮮茶葉通過熱力學(xué)方法進行加熱處理得到優(yōu)質(zhì)的茶葉，現(xiàn)有的茶葉烘干設(shè)備仍難以應(yīng)用于茶葉干燥的過程中，需要一種能夠精確控制烘箱內(nèi)的溫度，達到優(yōu)質(zhì)茶葉的標準。

針對新鮮茶葉干燥過程中受熱不均勻的問題，選取福建省安溪縣鐵觀音茶為樣本，提出一種茶葉箱式烘焙機。主要研究內(nèi)容包括：通過有限元分析法和箱式烘焙機內(nèi)茶葉傳熱傳質(zhì)分析法相結(jié)合，對傳統(tǒng)烘焙機進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進，并對其箱內(nèi)溫度均勻性、葉干燥品質(zhì)的一致性進行試驗驗證。本研究可為茶葉烘焙機的產(chǎn)業(yè)化提供新的技術(shù)參考。

1 茶葉箱式烘焙機的設(shè)計與優(yōu)化

1.1 茶葉箱式烘焙機的設(shè)計

1.1.1裝置組成

茶葉箱式烘焙機的結(jié)構(gòu)由風(fēng)機、電爐絲、篩架、旋轉(zhuǎn)電機、排氣、進氣孔、電控箱和箱體等組成，如圖1所示。為了優(yōu)化傳統(tǒng)的茶葉干燥方式，設(shè)計并優(yōu)化了茶葉烘焙機械，并在福建省泉州市安溪縣佳友機械公司進行試驗。

1—風(fēng)機；2—電爐絲；3—篩架；4—旋轉(zhuǎn)電機；5—排氣孔；6—進氣孔；7—電控箱。圖1 茶葉烘焙機結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the tea roaster

1.1.2裝置工作原理

茶葉箱式烘焙機內(nèi)部的電爐絲加熱，渦輪風(fēng)機吹風(fēng)至電爐絲產(chǎn)生熱風(fēng)，熱風(fēng)經(jīng)風(fēng)道吹至箱體內(nèi)，箱體內(nèi)旋轉(zhuǎn)篩架上的茶葉受熱產(chǎn)生水蒸氣，水蒸氣伴隨熱風(fēng)經(jīng)由另一側(cè)風(fēng)道及排氣孔排出，茶葉在干燥過程中茶葉受熱均勻，減少試驗誤差，最終干燥出優(yōu)質(zhì)的茶葉。

1.2 茶葉箱式烘焙機的優(yōu)化

1.2.1茶葉箱式烘焙機頂部優(yōu)化

茶葉箱式烘焙機頂部結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示，3號電爐絲位置是在風(fēng)機右側(cè)，未能很好地發(fā)揮其加熱性能，熱傳遞利用率低；為了改善加熱性能，優(yōu)化了茶葉箱式烘焙機頂部結(jié)構(gòu)的該機電爐絲與風(fēng)機的相對位置。如圖2(b)所示，風(fēng)機向下移動，3號電爐絲的位置從風(fēng)機右側(cè)調(diào)整到風(fēng)機正上方，加熱室內(nèi)的3個電爐絲均勻分布，不僅提高茶葉箱式烘焙機內(nèi)部傳熱效率，還能提高茶葉干燥的品質(zhì)。

(a)頂部位置 (b)頂部改動后位置圖2 頂部裝置優(yōu)化對比圖Fig.2 Comparison charts of top unit optimization

1.2.2進風(fēng)側(cè)開孔位置及大小優(yōu)化

茶葉箱式烘焙機側(cè)板開孔位置、數(shù)量及大小見圖3(a)，因其開孔大、數(shù)量多以及位置不合理等，影響茶葉箱式烘焙機內(nèi)部熱流分布。為了解決外部空氣進入烘焙機內(nèi)部，擾亂內(nèi)部熱流分布的問題，優(yōu)化了茶葉箱式烘焙機后側(cè)板的結(jié)構(gòu)、開孔數(shù)量和位置關(guān)系，如圖3(b)所示。通過優(yōu)化前和優(yōu)化后進行對比，高度方向開孔數(shù)量和大小非均相等，利用減小下部區(qū)域進風(fēng)口大小，改善茶葉箱式烘焙機內(nèi)部流量分配[12]。

(a)原側(cè)板開孔 (b)改動后側(cè)板開孔圖3 側(cè)板開孔對比圖Fig.3 Comparison diagrams of side panel openings

原側(cè)板立面結(jié)構(gòu)(圖4(a))影響氣體的流行性能，通過優(yōu)化的側(cè)板立面(圖4(b))，在原側(cè)板立面A區(qū)域增加半徑為50 mm圓角，調(diào)整第一排開孔位置。A區(qū)域為明顯的臺階流區(qū)域，為轉(zhuǎn)捩區(qū)，A區(qū)域會形成流動分離及回流，圓角結(jié)構(gòu)的第一排開孔位置往下調(diào)整，能夠有效改善第一排開孔區(qū)域的進氣量；同時增加B位置的沉孔結(jié)構(gòu)，沉孔外形是正方形，尺寸大小為30 mm；改善氣體通過開孔結(jié)構(gòu)的流動角，進一步提高流場的均勻性。

圖4 側(cè)板立面對比圖Fig.4 Comparison diagrams of side panel elevation

1.2.3托架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

如圖5(a)示為原托盤間距90 mm，即托盤之間距離為60 mm。為了減少熱流動中的損耗，并配合第一排開孔位置，故在不影響載物料量的前提下，將托盤間距調(diào)整為85 mm，即托盤之間距離調(diào)整為55 mm，如圖5(b)所示。

圖5 托盤間距對比圖(單位：mm)Fig.5 Comparison diagrams of pallet spacing(unit：mm)

1.3 茶葉烘焙運行方式的優(yōu)化

從烘焙傳熱傳質(zhì)過程來看，優(yōu)化烘焙過程所用工質(zhì)循環(huán)是烘焙設(shè)備節(jié)能主要方向，通過調(diào)整烘焙用工質(zhì)濕度及過熱度是優(yōu)化節(jié)能的主要手段[13-14]。

現(xiàn)有茶葉烘焙機運行方式是初始空氣介質(zhì)烘焙，中、后期為濕空氣介質(zhì)烘焙，控制烘焙的方式為改變介質(zhì)溫度，此調(diào)節(jié)方法單一，無法控制介質(zhì)再循環(huán)量及循環(huán)介質(zhì)濕度，進而造成能源浪費。使用過熱空氣替代濕空氣烘焙，在同等狀態(tài)參數(shù)下，過熱蒸汽大于濕空氣；同等傳熱情況下，過熱蒸汽較濕空氣能夠攜帶更多熱量；運行方式上，由濕空氣烘焙的溫度-濕度同調(diào)變?yōu)闇囟然驂毫握{(diào)，從控制方式上更為穩(wěn)定和可控。同時，過熱蒸汽較濕空氣預(yù)熱回收過程易于實現(xiàn)，系統(tǒng)對外排放量減少。通過有限元流體仿真和溫度仿真法分析茶葉箱式烘焙機內(nèi)部速度和溫度的變化情況，結(jié)果如圖6(a)和(b)所示，改動前后茶葉箱式烘焙機內(nèi)部區(qū)域速度場及溫度場效果較好。

圖6 優(yōu)化前后設(shè)備速度及溫度分布云圖Fig.6 Cloud diagrams of equipment speed and temperature distribution before and after optimization

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

福建省泉州市安溪縣茶園選取茶樹5年以上的一芽二葉鐵觀音鮮葉作為試驗對象，2022年4月份采摘。選取新鮮葉片大小均勻、色澤大體一致的鐵觀音茶葉1.5 kg，含水率約73%±1%，用自封袋包裝后放入5 ℃的冰箱中貯藏。

2.2 儀器設(shè)備

試驗設(shè)備主要有茶葉箱式烘焙機(福建佳友機械公司)、BC/BD-102HT型臥式冷藏冷凍轉(zhuǎn)換柜(海爾集團有限公司)、先行者CP系列電子天平(奧豪斯儀器有限公司)、量程為0～3 200 g，精度為0.001 g。

2.3 試驗方法和指標

2.3.1試驗方法

將冰箱中保存的新鮮茶葉樣品取出，待其溫度達到室溫(室溫為20 ℃)；把新鮮茶葉均分為3等份，分別在茶葉干燥盤上用記號筆進行標記，將它們分別在不同的溫度下(65 ℃、70 ℃、75 ℃)，進行干燥試驗。從茶葉烘焙機中取出的茶葉冷卻至室溫(室溫為20 ℃)，利用稱重法來計算新鮮茶葉的初始含水率，新鮮茶葉的原始水分在73%±1%，目標水分為15%，每20 min取出1組試驗樣品，當(dāng)新鮮的濕基含水率低于15%停止試驗。

2.3.2試驗指標

1)含水率的測定

含水率的計算按照GB/T5009.3—2003規(guī)定進行執(zhí)行。新鮮茶葉干燥過程中含水率用干基含水率表示，含水率計算公式如式(1)：

(1)

式中：Gt為茶葉任意干燥時間(t)的總質(zhì)量，g；G0為初始重量，g；M0為初始干基含水率，%。

2)色差的檢測

采用HP-C200型手持式色差儀，測定茶葉干燥前后的色澤變化。通過表征新鮮茶葉與干燥后茶葉色澤變化的差異值，來計算茶葉干燥后的色差ΔE，計算表達式如下所示：

(2)

ΔL*=L*-L0*

(3)

Δa*=a*-a0*

(4)

Δb*=b*-b0*

(5)

式中:L*為在茶葉干燥到最終時刻的明亮度；L0*為茶葉初始明亮度；a*為茶葉干燥到最終時刻的綠紅值；a0*為茶葉初始的紅綠值；b*為茶葉干燥到最終時刻的藍黃值；b0*為茶葉初始的藍黃值。

3 結(jié)果與分析

3.1 干燥溫度對新鮮茶葉含水率的影響

為探究新鮮茶葉的干燥動力學(xué)影響因素，在不同溫度下對新鮮茶葉進行干燥。干燥溫度為65 ℃、70 ℃、75 ℃，初始質(zhì)量為500 g。圖7為新鮮茶葉在不同的干燥溫度下，隨著時間的變化，含水率的變化過程。由圖7可知，新鮮茶葉的干燥時間在65 ℃最長，75 ℃時次之，70 ℃時干燥時間最佳。

圖7 不同干燥溫度下新鮮茶葉含水率的變化曲線Fig.7 Variation curves of moisture content of fresh tea leaves at different drying temperatures

3.2 新鮮茶葉干燥溫度和色澤的關(guān)系分析

為了體現(xiàn)新鮮茶葉干燥過程中不同溫度對新鮮茶葉色差的影響，根據(jù)試驗得到的顏色值a、b和L，計算得到色差ΔE；根據(jù)計算結(jié)果得出在65 ℃、70 ℃和75 ℃ 3個不同風(fēng)溫下色差ΔE的關(guān)系變化曲線，如圖8所示。試驗表明：隨著干燥溫度的升高，當(dāng)茶葉干燥溫度為75 ℃，色差幅度波動很大且色差的最終數(shù)值偏大，說明在75 ℃下對新鮮茶葉進行烘干，溫度偏高導(dǎo)致茶葉產(chǎn)生褐變，對茶葉的外觀影響較大。

當(dāng)新鮮茶葉在70 ℃以及65 ℃的溫度下烘干，其色差的變化趨勢大體相同，但是在70 ℃的溫度下干燥色差的數(shù)值略微偏小，所以干燥溫度為70 ℃對茶葉的色澤影響較低。色差值小好，由圖8可知，新鮮茶葉在干燥過程中，含水率達到15%時，干燥溫度70 ℃時色差值較小，茶葉的色澤效果、感官品質(zhì)更佳，更符合消費者心理。

圖8 不同干燥溫度下色澤的變化曲線Fig.8 Color difference curves at different drying temperatures

4 結(jié)論

利用有限元分析技術(shù)完成烘焙機頂部裝置、進風(fēng)側(cè)開孔、托架結(jié)構(gòu)和茶葉烘焙運行方式的優(yōu)化。將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)用于試驗，試驗結(jié)果表明茶葉在70 ℃條件下干燥時，茶葉的干燥速率、品質(zhì)達到最佳效果；70 ℃條件下干燥的茶葉色差較好，該干燥溫度下對茶葉物理特性的影響最小。本研究可為解決新鮮茶葉干燥設(shè)備和技術(shù)工藝提供理論參考。