節(jié)能型茶葉烘焙機(jī)開發(fā)及節(jié)能分析

陳加友，陳為晶，江進(jìn)福

（1.黎明職業(yè)大學(xué) 智能工程學(xué)院，福建 泉州 362000；2.福建省計(jì)量科學(xué)研究院 福建省能源計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350003；3.福建佳友茶葉機(jī)械智能科技有限公司，福建 泉州 362411）

茶產(chǎn)業(yè)作為福建省特色優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，在“一帶一路”倡議中屬于傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)特色外向型產(chǎn)業(yè)[1].2021年福建省茶葉產(chǎn)量達(dá)48.79 萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)5.7%，全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值超1 400億元，茶葉產(chǎn)量、出口額增速、茶樹良種普及率等多項(xiàng)指標(biāo)位居全國(guó)第一[2].相關(guān)研究表明：在干燥過程中，平均每千克茶葉需要消耗11 700～13 600 kJ熱量，烘焙機(jī)的熱效率約為57.6%.如果干燥過程的能量利用率提高10%，每千克茶葉可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤0.05 kg，按福建省2021年的茶葉產(chǎn)量估算，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約24 395 t[3].如果按全國(guó)的茶葉產(chǎn)量估算，節(jié)能量非常可觀.2021年，中國(guó)向全世界莊嚴(yán)承諾將實(shí)現(xiàn)“3060”雙碳目標(biāo)，中國(guó)碳減排力度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家.在傳統(tǒng)的茶葉加工工藝中，烘焙、炒制、烘干等都是能耗較高的工序[4].傳統(tǒng)茶葉相關(guān)機(jī)械的制造廠家為滿足生產(chǎn)工藝要求，盲目加大熱功耗設(shè)計(jì)，造成制茶設(shè)備能耗普遍偏高.現(xiàn)有的傳統(tǒng)茶葉烘焙機(jī)多采用電熱風(fēng)烘焙，因內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布不均勻，普遍存在烘焙質(zhì)量差、耗能較高、熱能利用率低等突出問題[5-6].

文中以傳統(tǒng)茶葉烘焙機(jī)為分析對(duì)象，結(jié)合風(fēng)循環(huán)、余熱回收和輔助熱源的應(yīng)用，開發(fā)節(jié)能型茶葉烘焙機(jī)，通過理論分析及試驗(yàn)研究，提高茶葉烘焙機(jī)節(jié)能率，從而為茶葉烘焙節(jié)能提供技術(shù)支持.

1 節(jié)能型茶葉烘焙機(jī)的節(jié)能原理

1.1 傳統(tǒng)茶葉烘焙機(jī)的節(jié)能潛力分析

目前，市場(chǎng)上常見的傳統(tǒng)型烘焙機(jī)的風(fēng)循環(huán)為“U”字形，即干空氣由上部經(jīng)引風(fēng)機(jī)進(jìn)入烘焙機(jī)，經(jīng)電熱棒加熱后的干空氣，向下流經(jīng)烘焙工作區(qū)域后，經(jīng)過與茶葉的能量與質(zhì)量交換后轉(zhuǎn)變?yōu)闈窨諝猓瑵窨諝庠谶M(jìn)風(fēng)與排風(fēng)壓差的作用下排出烘焙工作區(qū)域，然后再向上排出茶葉烘焙機(jī).傳統(tǒng)茶葉烘焙機(jī)結(jié)構(gòu)及風(fēng)循環(huán)如圖1所示.

圖1 傳統(tǒng)茶葉烘焙機(jī)結(jié)構(gòu)及風(fēng)循環(huán)

從上述風(fēng)循環(huán)可以看出：傳統(tǒng)型茶葉烘焙機(jī)工作時(shí)，烘焙機(jī)工作區(qū)域的頂部會(huì)聚集大量的濕熱空氣，然后再由壓差的作用流向排風(fēng)通道.這樣不僅造成較大的流動(dòng)阻力，增加風(fēng)機(jī)的工作負(fù)荷，而且是造成烘焙機(jī)工作區(qū)域內(nèi)溫度和風(fēng)環(huán)境分布不均勻的主要原因.因此，有效利用烘焙前后熱空氣的密度差不僅能降低系統(tǒng)內(nèi)的壓降，降低循環(huán)風(fēng)機(jī)的功率，而且還有助于茶葉中水分的及時(shí)排出.

1.2 節(jié)能型茶葉烘焙機(jī)的節(jié)能方案

綜合考慮傳統(tǒng)型茶葉烘焙機(jī)的風(fēng)循環(huán)、余熱回收利用和輔助熱源等相關(guān)原理，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)研發(fā)一種節(jié)能型茶葉烘焙機(jī)，如圖2所示.

圖2 節(jié)能型茶葉烘焙機(jī)的實(shí)物圖

節(jié)能型茶葉烘焙機(jī)具體節(jié)能優(yōu)化方案及創(chuàng)新性如下.

1）風(fēng)循環(huán)方式.為充分利用烘焙前后新風(fēng)和排潮風(fēng)的密度差，節(jié)能型茶葉烘焙機(jī)采用下進(jìn)風(fēng)、上排風(fēng)的方案，進(jìn)風(fēng)口采用底部四角切向進(jìn)風(fēng)，頂部排風(fēng)的風(fēng)循環(huán)方式可有效降低烘焙機(jī)內(nèi)部的壓降，減少循環(huán)風(fēng)機(jī)的工作功率，以達(dá)到降低茶葉烘焙機(jī)能耗的目的.改進(jìn)后的茶葉烘焙機(jī)結(jié)構(gòu)及風(fēng)循環(huán)示意圖如圖3所示.將茶葉烘焙機(jī)內(nèi)的工作區(qū)域由傳統(tǒng)長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)改為圓柱形結(jié)構(gòu)，從而在烘焙機(jī)的工作區(qū)域內(nèi)營(yíng)造出螺旋向上的循環(huán)風(fēng).

圖3 節(jié)能型茶葉烘焙機(jī)的結(jié)構(gòu)及風(fēng)循環(huán)示意圖

伯努利方程如下

式中：h1、h2為烘焙機(jī)內(nèi)的任一截面高度（h1=h2），m；p1、p2為處于該截面中心和烘焙機(jī)圓柱壁面處的空氣壓力，Pa；v1、v2為處該截面中心和烘焙機(jī)圓柱壁面處的空氣流速，m·s-1.

對(duì)于同一高度截面h1=h2，切向進(jìn)風(fēng)使得靠近圓柱壁面處的循環(huán)風(fēng)速較大，即流速越大，壓力越小，而托盤中部的流速小，壓力就越大.由此，在茶葉托盤內(nèi)外壓差的作用下，可有效將托盤中部的濕熱空氣引流至托盤外，然后在密度差的作用下流向上部的排風(fēng)口.

2）余熱回收.傳統(tǒng)茶葉烘焙機(jī)的排濕風(fēng)直接排入大氣，實(shí)際操作中考慮到烘焙過程中排濕量相對(duì)較少，而且烘焙后期茶葉含水率穩(wěn)定階段排濕風(fēng)中的含水率較低，因此通過控制烘焙生產(chǎn)工藝，排濕風(fēng)將具備較好的余熱回收價(jià)值.在經(jīng)過生產(chǎn)工藝的優(yōu)化后，為提高能源利用效率，在節(jié)能型茶葉烘焙機(jī)頂部布置溫度、濕度檢測(cè)傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)排潮風(fēng)的溫度和含濕量.當(dāng)溫度和濕度達(dá)到生產(chǎn)工藝設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉排風(fēng)口并將排潮風(fēng)引流到循環(huán)風(fēng)機(jī)的入口，減少排氣的熱量損失，同時(shí)降低電加熱棒的功率，從而降低烘焙機(jī)的能耗.

3）輔助熱源.遠(yuǎn)紅外加熱技術(shù)是一種可實(shí)現(xiàn)高效加熱的干燥技術(shù).相比電加熱，它具有加熱效率高、加熱質(zhì)量好、節(jié)能等明顯優(yōu)點(diǎn)[7].遠(yuǎn)紅外加熱技術(shù)在茶葉干燥過程中起著非常重要的作用，它不僅能提高茶葉本身的感官質(zhì)量，而且具有較強(qiáng)的干燥效率和良好的連續(xù)性，為茶葉初加工過程中的節(jié)能降碳奠定基礎(chǔ).因此，烘焙后期，在余熱回收系統(tǒng)的參與下，為穩(wěn)定烘焙工作區(qū)域內(nèi)的溫度，系統(tǒng)采用遠(yuǎn)紅外輔助熱源替代電加熱棒，直接對(duì)烘焙工作區(qū)域進(jìn)行保溫，從而減少因風(fēng)循環(huán)而造成的能量損耗和烘焙機(jī)的散熱損失.

2 節(jié)能型茶葉烘焙機(jī)的理論節(jié)能率分析

為便于對(duì)比分析，文中選擇茶葉烘焙機(jī)（福建佳友，JY-6CHZ），總功率P傳統(tǒng)型為12.575 kW，其中電加熱元件總功率P加熱為12 kW，循環(huán)風(fēng)機(jī)功率P風(fēng)機(jī)為0.55 kW，烘盤托架回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率P電機(jī)為0.025 kW.節(jié)能型茶葉烘焙機(jī)的總功率P節(jié)能型為10.75 kW，其中加熱元件總功率P加熱為9 kW，循環(huán)風(fēng)機(jī)功率P風(fēng)機(jī)為0.55 kW，遠(yuǎn)紅外輔熱熱源功率P紅外為1.2 kW，輔助熱源工作時(shí)間為傳統(tǒng)茶葉烘焙機(jī)工作時(shí)間的一半.

經(jīng)實(shí)測(cè)，在茶葉質(zhì)量相同情況下，分別采用傳統(tǒng)型和節(jié)能型茶葉烘焙機(jī)進(jìn)行烘干處理，所消耗的時(shí)間大致相同，且烘干水量也基本相同.因此，在烘焙時(shí)間、烘干水量相同的情況下，可估算得到理論節(jié)能率，其計(jì)算式為

式中：η理論表示節(jié)能型茶葉烘焙機(jī)相比傳統(tǒng)同規(guī)格烘焙機(jī)的理論節(jié)能率，%；t1、t2分別為傳統(tǒng)型和節(jié)能型茶葉烘焙機(jī)的烘焙時(shí)間，設(shè)定時(shí)間相同（即t1=t2），min.

將參數(shù)代入公式（2），得出η理論=19.3%.

3 茶葉烘焙機(jī)節(jié)能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

茶葉烘焙機(jī)的測(cè)試系統(tǒng)邊界示意圖如圖4所示.該系統(tǒng)的輸入部分包括電力輸入和含水率較高的初烘茶葉兩個(gè)部分，輸出部分包括熱空氣和含水率較低的烘干茶葉.

圖4 茶葉烘焙機(jī)的測(cè)試系統(tǒng)邊界示意圖

3.2 試驗(yàn)方法

烘焙機(jī)的節(jié)能試驗(yàn)項(xiàng)目包括輸入電量和初烘茶葉、烘干茶葉質(zhì)量等.試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)中使用儀器信息見表1.

表1 茶葉烘焙機(jī)的測(cè)試項(xiàng)目、方法及測(cè)點(diǎn)位置

試驗(yàn)對(duì)象（烘焙機(jī)）采用三相四線制，先將三相四線電能表接線安裝好，然后打開電源開關(guān)，將無(wú)茶葉烘焙機(jī)溫度設(shè)置為100 ℃.打開啟動(dòng)開關(guān)，當(dāng)溫度升至100 ℃下時(shí)，稱取5.0 kg 初烘茶葉放入烘焙機(jī)中，記錄電量數(shù)據(jù).然后，保持烘焙機(jī)在100 ℃運(yùn)行1 h，關(guān)閉電源開關(guān)，再記錄電量數(shù)據(jù).最后，取出烘干茶葉進(jìn)行稱量，記錄烘干茶葉質(zhì)量.

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

分別對(duì)兩臺(tái)相同規(guī)格型號(hào)的傳統(tǒng)型和節(jié)能型茶葉烘焙機(jī)進(jìn)行3 次試驗(yàn).記錄3 組數(shù)據(jù)并取平均值，數(shù)據(jù)詳情見表2.

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理表

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

將初烘茶葉質(zhì)量減去烘干茶葉質(zhì)量，得到烘干水量，將耗電量除以烘干水量即可計(jì)算出烘焙機(jī)的電耗率.節(jié)能率計(jì)算式為

式中：η實(shí)際為節(jié)能型茶葉烘焙機(jī)相比傳統(tǒng)同規(guī)格的烘焙機(jī)的實(shí)際節(jié)能率，%；e傳統(tǒng)型、e節(jié)能型分別為傳統(tǒng)型和節(jié)能型茶葉烘焙機(jī)電耗率，kW·h·kg-1.

試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，如表3所示.

表3 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入式（3），計(jì)算出η實(shí)際=28.0%，節(jié)能型茶葉烘焙機(jī)的電耗率較傳統(tǒng)型下降了28.0%，即節(jié)能率為28.0%，較理論節(jié)能率（19.3%）有所提高，主要原因是理論分析中設(shè)定烘干水量是相同的，而實(shí)際測(cè)試中烘干水量不完全相同；此外，當(dāng)溫度和濕度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，節(jié)能型茶葉烘焙機(jī)自動(dòng)關(guān)閉排風(fēng)口，減少排氣熱量損失，實(shí)際節(jié)能率較理論值有所提高.

4 結(jié)語(yǔ)

文中分析了傳統(tǒng)茶葉烘焙機(jī)的不足，創(chuàng)新性地通過改變結(jié)構(gòu)優(yōu)化風(fēng)循環(huán)方式、增加余熱回收裝置和遠(yuǎn)紅外加熱輔助熱源等方式設(shè)計(jì)開發(fā)了節(jié)能型茶葉烘焙機(jī)，并詳細(xì)介紹了節(jié)能型茶葉烘焙機(jī)的節(jié)能方案.對(duì)相同規(guī)格型號(hào)的傳統(tǒng)型和節(jié)能型茶葉烘焙機(jī)進(jìn)行能耗測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，改進(jìn)后的節(jié)能型茶葉烘焙機(jī)相比傳統(tǒng)同規(guī)格的烘焙機(jī)節(jié)能28.0%.表明文中所開發(fā)的節(jié)能型茶葉烘焙機(jī)設(shè)計(jì)方案真實(shí)有效，對(duì)于相關(guān)烘干設(shè)備的節(jié)能改進(jìn)具有借鑒意義.