球罐型360°茶葉搖青機設計及實驗驗證

楊 君劉木華阮承治張 渤葉江華

(1. 武夷學院機電工程學院，福建 武夷山 354300；2. 農機智能控制與制造技術福建省高校重點實驗室，福建 武夷山 354300；3. 江西農業大學工學院，江西 南昌 330045；4. 武夷學院茶與食品學院，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最重要的工藝流程[1]。傳統搖青機搖青滾筒在電機帶動下旋轉，滾筒內的鮮葉茶青隨滾筒轉動，茶葉與茶葉、茶葉與搖青滾筒內壁發生相互接觸和碰撞，在搖青的機械運動力和機械摩擦力內外效應下，促使茶葉組織結構發生破壞變化，細胞液泡中的物質相互接觸，合適溫度下茶多酚發生酶促氧化，進而達到武夷巖茶“綠葉紅鑲邊”做青發酵、茶葉滋味物質及香氣物質形成轉化的目的，提高茶葉香氣、降低茶湯苦澀味[2-4]。

武夷巖茶傳統搖青工藝中，搖青機由搖青滾筒、傳動裝置、機架組成，使用炭火作為熱源。搖青筒依茶葉品種、等級不同投入相應鮮葉量，以恰好蓋過籠體軸心為宜，在電機帶動下，搖青筒體旋轉，滾筒內的鮮葉茶青隨滾筒一起轉動[5]。由于傳統搖青機結構及熱風輸送風管結構原因，熱風在離心風機作用下從送風管前端吹送至末端，風管末端與搖青筒側壁鑲接，氣流堵塞導致熱風反彈回流，熱風經送風管無數小孔吹向搖青筒內部，造成搖青筒不同部位風力強度及溫度不均衡。溫度和風力不均勻會影響茶葉做青發酵，風管末端一側溫度高，茶葉做青發酵更快、引發茶葉紅變和發酵過重[6-7]。為保證武夷巖茶做青發酵品質均勻一致，在茶葉搖青工藝中需人工不時翻動，將搖青筒左右側茶青相互交換，勞動強度極大，耗時耗力。

針對目前傳統滾筒式搖青機的缺點和不足，文章擬提出一種新型的球罐型360°搖青機設計，并對其熱風輸送管結構進行優化，分別對加裝擋風圈導流板前后兩種工況的球罐型搖青室流場進行數值模擬，并制作樣機驗證其效果，旨在為球罐型360°茶葉搖青機的結構設計優化提供一定理論依據和技術支撐。

1 總體方案及三維建模

1.1 總體方案及工作原理

搖青機傳動方案及總體結構如圖1所示，整個搖青筒采用球罐型外形，球體外殼上開有進出料口，方便茶青鮮葉進出料。搖青過程中球罐型滾青筒同時在外軸(X軸)、內軸(Y軸)電機帶動下各自作旋轉運動，整個球罐型搖青筒呈360°全方位旋轉，實現茶葉無死角搖青。

工作原理：整個球罐型360°搖青機X軸、Y軸電機分別與蝸輪蝸桿減速器組合安裝于內機架和外機架軸上。球罐體在Y軸電機和減速器帶動下沿Y軸方向作圓周運動，在X軸電機和減速器帶動下，Y軸電機、減速器及內機架整體繞X軸方向作圓周運動。X軸另一側安裝導電滑環，與外機架相連，其作用是避免Y軸電機在隨內機架沿X軸方向轉動時造成電線纏繞，確保電力通過導電滑環能持續傳送至Y軸電機。整個球體罐在電機作用下同時沿X、Y兩個方向各自轉動，實現球罐內茶葉360°搖青。離心風機吸入空氣經電熱絲加熱，輸送至球罐中心送風管，送風管開有無數小孔，熱風通過送風管小孔擴散輸送至整個球罐內部，提供茶葉球罐內搖青過程中做青需要的溫度。球罐內壁結構亦開有無數小孔，實現做茶工藝中罐體內熱空氣與外界空氣交換流通，保證罐體內部空氣通透及做青鮮茶葉的生物活性。

電機連接減速器帶動球罐體繞內軸(Y軸)與外軸(X軸)兩個方向同時作圓周運動，茶葉在球罐筒內實現全方位無死角搖青。球罐型360°茶葉搖青機增強了茶葉做青機械運動力和機械摩擦力，大大提高了搖青質量及效率，降低了傳統搖青工藝中的勞動強度。

1.2 三維建模與虛擬裝配

球罐型360°搖青機主要由送風管、球體罐和球罐架、機架、離心風機等組成。球罐型360°搖青機按相關零件尺寸及結構形狀建立各零件三維模型，根據各零件相互間的裝配和約束關系逐個進行組裝，最后完成整機的虛擬裝配。完成球罐型360°搖青機整機三維造型的關鍵是對其各零件準確建模并保證各零部件間的合理裝配關系。如圖2所示，通過Pro/E拉伸、旋轉、陣列等命令建立球罐型360°搖青機送風輸送管、球體罐和球罐架、整體機架、離心風機等主要零件的三維模型。

圖1 搖青機傳動方案及總體結構

根據各部件運動關系選擇合適的約束條件，將球罐型360°搖青機各部件虛擬裝配成整機。通過虛擬裝配，檢查零件之間的干涉，對零件的結構尺寸和安裝尺寸進行檢查和修改，保證搖青機的可裝配性及裝配質量，其整機虛擬裝配如圖3所示。

2 搖青機球罐流場數值模擬

2.1 仿真建模與控制方程

為了研究搖青機球罐內部溫度均勻性，借助STAR-CCM+軟件分析整個球罐內部流場特性，了解搖青機球罐內的流場和溫度場分布。通過Pro/E 建立三維模型并導入網格劃分軟件ANSA，將劃分完成的表面網格導入STAR-CCM+軟件中，球罐計算幾何模型由送風管、球罐模型、進出口組成(圖4)。為使進口的流動充分發展，結合實際球罐體進風口處接離心風機的出風口，將球體罐的進口處加裝一定長度的圓形管道，延長的管道段作為靜止處理(不旋轉)，球罐和內部的送風管以一定轉速繞中心軸旋轉，通過CFD數值模擬加裝環形導流板及不加裝環形導流板送風管兩種工況下球罐內流場，分析對比搖青機球罐內的流場分布結果。

圖2 搖青機主要零部件三維模型

圖3 搖青機整機裝配

球罐型茶葉搖青機穩定工作時，搖青室內部熱空氣流動表現為三維湍流，計算模擬時可選取k-ε模型[8-10]：

圖4 球罐計算幾何模型

(1)

(2)

式中：

C1ε、C2ε——模型常數；

Gk——氣流速度變化導致的湍流動能，m2/s2；

σk、σε——湍動能k與耗散率ε的湍流普朗特數，文中球罐體內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——湍動能，m2/s2。

2.2 邊界條件與網格劃分

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。進口采用速度入口邊界條件，風管入口實測風速15 m/s，風溫50 ℃(根據茶葉做青工藝要求);出口采用壓力出口邊界條件，球罐體出口絕對壓力為外界環境大氣壓0.101 325 MPa，溫度30 ℃。送風管壁面邊界轉速15 r/min，球罐壁面邊界轉速15 r/min，環境溫度30 ℃，考慮到進口熱氣流與送風管道進行共軛換熱，即固體域與流體域之間通過interface交接作共軛換熱。根據風管道的材料屬性，將管道的導熱系數定為50.2 W/(m·k)。

網格劃分借助ANSA軟件進行，首先將幾何進行前處理，即修補幾何面，使其符合實際模型[11-12]。幾何面處理后，進行面網格的劃分，其中孔特征采用1～2 mm，風管采用6 mm。體網格類型為trimmer網格，網格數為5 866 261個網格單元。

2.3 兩種工況數值模擬對比分析

為對比兩種送風管道的搖青效果，分析管道內部不加裝環形導流板送風管(工況1)與加裝環形導流板送風管(工況2)球罐體內流場分布。

2.3.1 中間斷面速度云圖 由圖5可知，工況1中間送風管的速度相對工況2更均勻，但工況2中球罐內的負壓區明顯比工況1小，且工況2靠近球罐的頂部有部分氣流從中間送風管出來進入到球罐內，工況1氣流主要貼球罐運動，在球罐中間區域基本無較大風速氣流。綜合評估，相對工況1，工況2的氣流對茶葉的搖青較好，但工況2底部仍存在少部分氣流吹不到的氣流死區，后續將進一步對此區域進行合理優化。

2.3.2 中間斷面速度矢量圖 由圖6可知，工況1在球罐兩側出現兩個較大的渦流區，此分布區域基本無氣流，影響茶葉做青效果，相對工況1，工況2僅在球罐底部和中間區域形成較小的渦流區，其余部分氣流可與茶葉進行充分熱對流，有利于球罐搖青機對茶葉搖青。

2.3.3 中間斷面壓力云圖 由圖7可知，工況1和工況2由于送風管和球罐鑲接在一起，風管底部氣流堵塞，造成壓力區域較大。其中，工況2球罐的送風管加入了環形導流板，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域。雖在導流板處出現局部高壓區，但主要關注點在球罐區域，球罐內氣流負壓區較小，有利于茶葉搖青通風對流。

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

2.3.5X斷面溫度場云圖 因整個球罐體直徑為1.2 m，為分析X方向的溫度流場，分別截取X=0.4， 0.6，0.8 m處球罐斷面溫度場云圖進行分析，結果如圖9、10所示。由圖9、10可知，工況2各截面的溫度較為均勻，且相對工況1的溫度更高，這是由于工況1的高溫區主要集中在罐壁面，球罐中間區域氣流較少。綜上，送風管增設環形導風板，搖青機對茶葉搖青效果更佳。

3 樣機做青實驗驗證

為了進一步論證數值模擬的準確性，在武夷山香江茶業有限公司進行球罐型搖青機樣機做青試驗，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探頭安置于搖青機球罐體內壁面、風管等處，監測茶葉做青溫度，記錄球罐內壁、風管外壁及風管中心等12個不同采樣位置點做青溫度數據，兩種工況下溫度監測數據見表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斷面溫度場云圖

由表1、2可知，工況1送風管無導流板，球罐內部不同點溫度的實測值與計算值波動較大，最高溫度與最低溫度相差4 K。工況2風管加裝環形導流板，球罐內部不同點溫度的實測值與計算值較均勻，最高溫度與最低溫度相差2 K，氣流均勻，流場分布均勻。

表1 工況1球罐型360°搖青機茶葉做青溫度計算值與實測值

表2 工況2球罐型360°搖青機茶葉做青計算值與實測值溫度

傳統搖青機與球罐型搖青機在相同做青工藝參數(吹風時間、搖青時間、晾青時間、做青次數)下進行做茶品質比較，做青茶樣經殺青、揉捻、烘干工藝最終形成毛茶。參照GB/T 23776—2009及文獻[13]對毛茶茶樣的外形、香氣、滋味、湯色及葉底進行感官審評。

由表3可知，新機型茶葉做青品質明顯優于傳統滾筒式搖青機，茶葉品質提升一個等級，說明球罐型搖青機在X、Y軸兩個方向全方位旋轉實現了無死角搖青，茶葉與茶葉、茶葉與搖青滾筒內壁相互接觸碰撞，強化了茶葉做青機械運動力和機械摩擦力，搖青質量高。同時，加裝環形導流板送風管能改善流場、適當增加風阻，熱風更容易從風管導流進入球罐，球罐通風對流效果好，整個球罐氣流更均勻。球罐體流場溫度均勻、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。

4 結論

(1) 針對現有滾筒式搖青機工作過程中流場分布不均勻導致茶葉做青品質參差不齊的問題，設計了球罐型360°茶葉搖青機總體方案、搖青機球罐體和球罐架、機架、送風管等結構并整機虛擬裝配。

(2) 對球罐型360°茶葉搖青機送風管進行優化，采用數值模擬方法對送風管加裝環形擋風圈導流板前后的球罐體流場和溫度場進行計算對比。結果表明：送風管中合理布置環形擋風圈導流板，在小幅度提高流阻的前提下能夠增加球罐內部氣流向罐內四周流動，整個球罐溫度場和速度場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對流能有效提升茶葉品質，有利于茶葉搖青工藝。

表3 傳統搖青機與球罐型360°搖青機毛茶審評結果

(3) 球罐型360°茶葉搖青機風管加裝導流板，球罐內部不同點的實測最高溫度與最低溫度相差2 K，球罐內氣流分布均勻，與模擬仿真結果相吻合。在相同做青工藝參數(吹風時間、搖青時間、晾青時間、做青次數)下，新機型茶葉做青品質明顯優于傳統滾筒式搖青機，茶葉品質提升了一個等級。

(4) 球罐型360°茶葉搖青機送風管結構還有待優化，如進一步優化風管中第2塊導風圈的尺寸以及與第3塊導風圈軸向距離，可以改善此區域送風管周邊的流場。此外，在送風管內外部加傾斜式的導風板，可改善罐體內氣流流動，避免頂部氣流沖向罐底部。