節(jié)能型遠紅外熱輻射殺青機的設計與試驗

任彩紅，李 杰，宋志禹，楊 光，梅 松，蔣清海*

（1.農業(yè)農村部南京農業(yè)機械化研究所，江蘇南京 210014；2.日照春茗機械制造有限公司，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鍵環(huán)節(jié)之一，主要核心技術是通過短時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械主要依靠熱傳導和熱對流的方式進行作業(yè)，熱效率普遍偏低，同時，殺青品質不穩(wěn)定，高度依賴于操作工人的經驗與操作水平。現(xiàn)有的近紅外在線檢測技術尚未達到實際生產應用水平，提高加工效率、降低勞動強度、提高自動化水平、降低能耗越來越被市場重視[4]。本文闡述了國內外茶葉殺青機的研究現(xiàn)狀，分析了各種殺青技術優(yōu)缺點，介紹了節(jié)能型遠紅外熱輻射殺青機的主要機械構造及工作原理，并對作業(yè)效果進行了分析，并在此基礎上指出了我國茶葉殺青機研究存在的不足和發(fā)展建議。

1 殺青機國內外研究現(xiàn)狀

我國自20世紀50年代起便開始應用鍋式殺青機，為了提高作業(yè)效率，實現(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，并迅速在國內外推廣應用，日本研發(fā)出了蒸汽殺青機并在日本推廣應用至今，我國引進了一批但因為風味同國內傳統(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世紀新技術不斷引入茶葉加工行業(yè)，農業(yè)農村部南京農業(yè)機械化研究所首創(chuàng)了茶葉微波殺青機，并迅速在全國茶區(qū)推廣應用，浙江上洋茶機廠研發(fā)的熱風殺青機解決了滾筒殺青機“水悶氣”的問題，目前共有燃氣式、燃油式、和燃電式多種形式熱風殺青機。浙江余姚研發(fā)了一種電磁殺青機解決了傳統(tǒng)電加熱殺青機預熱時間長、能耗高的問題，市場上已廣泛應用，另外還有蒸汽加熱殺青機、光波殺青機、殺青理條復合機等系列機型成功研發(fā)，為茶葉生產提供了多種選擇。

目前，國內外殺青機主要有：滾筒殺青機（燃電、燃煤、燃氣），微波殺青機、光波殺青機、電磁殺青機、熱風殺青機和蒸青殺青機[5]等，如表1所示。滾筒殺青機結構簡單、操作方便，是目前應用最廣泛的殺青機，但其采用的是熱傳導式的加熱方式，預熱時間一般超過30 min，半敞開式結構保溫性較差，殺青過程中極易出現(xiàn)“水悶氣”和“魚眼泡”現(xiàn)象，作業(yè)完冷卻時間較長，能耗高、熱效率低[6]。微波殺青機不需預熱，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，故近年來應用數量逐漸減少。光波殺青機采用微波和紅外復合作業(yè)，彌補單一微波殺青香氣不足的問題，但因設備操作相對復雜、檢修周期短，操作不便，故未得到大面積推廣應用。電磁殺青機利用高頻電場加熱滾筒，具有預熱速度快、操作簡便的特點，能耗較傳統(tǒng)電加熱滾筒大幅降低，但成本較高。熱風殺青機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，目前大多數殺青機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]。蒸青殺青機利用高溫蒸汽穿透性強的特性，使鮮葉快速升溫不易焦葉，生產效率高，但茶葉風味與傳統(tǒng)加工方式差異較大，故只在部分茶區(qū)推廣應用。主要殺青裝備如圖1所示。

表1 國內外典型殺青機技術裝備特點

圖1 國內外典型殺青機技術裝備

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

2 節(jié)能型遠紅外熱輻射殺青機主要結構及原理

2.1 主要結構

節(jié)能型遠紅外熱輻射殺青機主要由殺青滾筒、排濕風機、遠紅外輻射板、取電滑環(huán)、托輥、出料裝置、降溫風扇、機架、驅動裝置、上料裝置構成（見圖2）。外部裝有隔熱材料，不銹鋼包裹，采用滑環(huán)—碳刷裝置為排濕風扇、遠紅外輻射板持續(xù)供電，遠紅外輻射板安裝在順時針方向45°～55°之間（可調），作業(yè)時直接照射茶葉，預熱時間短。自動控制系統(tǒng)通過調節(jié)遠紅外輻射裝備的輸出功率和傳動裝置的速率，滿足不同茶葉加工工藝要求。節(jié)能型遠紅外熱輻射殺青機與傳統(tǒng)同類型電加熱滾筒殺青機主要性能參數對比見表2。

圖2 節(jié)能型遠紅外熱輻射殺青機結構示意圖

表2 主要性能參數對比表

2.2 工作原理

作業(yè)時，茶鮮葉由上料裝置進入滾筒，沿螺旋導葉板連續(xù)拋翻，遠紅外輻射板直接照射茶鮮葉，使其迅速升溫。第一排濕風扇安裝在滾筒的表面并隨著滾筒同步旋轉，控制器控制第一排濕風扇啟停；第一排濕風扇在一個旋轉周內經歷一次開啟和一次關閉，開啟位置對應滾筒內茶葉的起拋點或者起拋點之后，避免第一排濕風扇吸附茶葉，能夠提高排濕效果，防止出現(xiàn)“水悶氣”。殺青過程中自動控制系統(tǒng)調節(jié)遠紅外輻射裝備的輸出功率和傳動裝置的速率，保持殺青品質一致，完成殺青作業(yè)（見圖3）。

圖3 節(jié)能型遠紅外熱輻射殺青機

2.3 茶葉運動軌跡及熱源布置

殺青作業(yè)時，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，沿滾筒順時針旋轉，遠紅外熱輻射加熱板安裝在右上方，茶葉到達拋落點后，右上方有一個真空區(qū)域，茶葉不會堵塞（見圖4）。同時，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[10]。

圖4 遠紅外輻射板安裝位置示意圖

茶葉在筒體內運動狀況的決定性因素是筒體轉速和筒體半徑。若筒體半徑為R，A點為殺青葉拋出點，拋出點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 茶葉運動軌跡示意圖

由式（1）可以看出：筒體內不同半徑處葉層內茶葉質點在同一轉速下，脫離角不同。處于相同半徑葉層內的茶葉質點脫離角相同，脫離角大小決定于轉速[11]。

2.4 全排濕裝置

全排濕指在加工過程中，實現(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。間隔180°安裝2組排濕風扇，各組在滾筒旋轉至拋落點后啟動，旋轉180°后暫停。此時，另外一組正好到達拋落點，通電啟動，一方面避免排濕過程中吸附茶葉，另一方面實現(xiàn)作業(yè)過程中的全滾筒排濕。

電刷機構由集電環(huán)和碳刷等組成，用于給動態(tài)旋轉部件供電。解決滾筒旋轉過程中排濕風扇的供電問題。

3 應用效果

2022年5月在日照市東港區(qū)后村鎮(zhèn)進行性能試驗（詳見表3）。此次試驗主要內容是測試設備的節(jié)能效果、殺青品質，同時與傳統(tǒng)電加熱滾筒、微波殺青機做了對照實驗。實驗用茶樹品種為福鼎大白，鮮葉等級為一芽三葉。試驗茶樣由江蘇省農業(yè)科學院檢測并出具檢測報告。

表3 能耗試驗記錄表

加工后的茶樣分別取3份，共計9份茶樣，送至江蘇省農業(yè)科學院檢測并出具檢測報告，內含物檢測和感官評審結果如表4、5所示，其中同一種工藝設備加工的3份茶樣取平均值。

表4 內含物檢測報告

4 結果分析

從三種殺青試驗設備能耗數據可以看出，在相同茶鮮葉量（50 kg）等條件下，CSW-30型微波殺青機能耗44.4 kW，預熱4.5 min，殺青耗時94 min，6CS-100（D）滾筒殺青機能耗196.1 kW，預熱30 min，殺青耗時70 min。6CS-100（Y）遠紅外熱輻射殺青機能耗41.6 kW，預熱5 min，殺青耗時35 min，6CS-100（Y）遠紅外熱輻射殺青機預熱時間僅需5 min，僅為6CS-100（D）滾筒殺青機的16.7%；較CSW-30型微波殺青機和6CS-100（D）滾筒殺青機分別節(jié)約能耗6.3%和78.7%。

從內含物檢測報告中可以看出，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、而茶多酚含量波動變化較大。其中，遠紅外輻射殺青機處理的茶葉茶多酚含量最低16.4%，不經熱輻射處理的茶樣茶多酚含量為達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告可以看出，茶樣中6CS-100（Y）遠紅外熱輻射殺青機處理的加工的茶葉總分（最高89.85）較CSW-30型微波殺青機處理的茶葉總分（最低86.7）要高3.5%，遠紅外輻射殺青機加工的茶葉香氣分數高達92，遠紅外輻射殺青裝備對提高茶葉品質具有顯著效果。

5 結論

6CS-100（Y）遠紅外熱輻射殺青機節(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）等內含物含量基本不變，不破壞茶葉中其它營養(yǎng)物質，對提高茶葉品質，降低苦澀味有顯著作用；6CS-100（Y）遠紅外熱輻射殺青機處理后的茶葉香氣提高5%左右，茶葉品質提高明顯，感官審評總體提高3%左右。

表5 內含物檢測報告

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”“碳達峰”等相關政策的要求，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)有裝備技術現(xiàn)狀和發(fā)展需求，提出茶葉殺青技術裝備發(fā)展建議：

1）加大政策引導，集中優(yōu)勢資源突破“卡脖子”技術。茶葉殺青過程中的各項技術參數數字化問題一直沒有解決，受限于制造工藝不標準，在線檢測技術精確度低，現(xiàn)有能源形式無法精準調控等，因此未來應制定統(tǒng)一制造標準，重點突破在線檢測和高精度傳感器等技術，促進茶葉殺青等加工環(huán)節(jié)實現(xiàn)數字化、標準化、自動化。

2）加大智能化、模塊化、標準化單機研發(fā)。目前市場上裝備普遍為定制化，不同廠家設備不通用，以殺青機為例，不同廠家生產的設備進出料高度、開口尺寸等參數差異過大，容易造成浪費。加強基礎結構與理論研究，探索節(jié)能技術與裝置，優(yōu)化作業(yè)參數，加強自動化、智能化設計，實現(xiàn)殺青裝備單機智能化、模塊化和標準化，提升作業(yè)質量與效益。