陳加友

（福建省安溪茶業(yè)職業(yè)技術學校，福建安溪 362400）

紅茶一體化全自動發(fā)酵機的設計

陳加友

（福建省安溪茶業(yè)職業(yè)技術學校，福建安溪 362400）

針對目前紅茶發(fā)酵設備與發(fā)酵工藝結合不緊密而造成的發(fā)酵溫濕度不穩(wěn)定、翻拌難、缺氧、品質適度不統(tǒng)一等問題，設計了全新的工夫紅茶一體化全自動發(fā)酵機。對發(fā)酵結構、翻動裝置和加熱等關鍵部件進行了設計，確定了發(fā)酵機的總體設計方案和關鍵參數值。所設計的全自動發(fā)酵機能夠很好的滿足優(yōu)質紅茶的發(fā)酵工藝技術要求，并且具有結構簡單、操作方便等突出優(yōu)點，可進行廣泛的推廣和應用。

工夫紅茶；發(fā)酵機；設計

1　引言

紅茶的各種機械化生產已經較為普遍，發(fā)酵是形成其品質特征的關鍵工序。傳統(tǒng)紅茶發(fā)酵方法設備簡易，設備成本低，受外界環(huán)境因素影響大，一般采取人工加溫及加濕氣來達到發(fā)酵的目的，這種人工操作的發(fā)酵方式發(fā)酵時間長，效率低，發(fā)酵均勻度相對不好掌控，嚴重影響茶葉品質。而采用單機箱式發(fā)酵設備進行發(fā)酵雖然可以達到自動控制溫度和濕度，但是自動化程度相對仍然比較低，上料、出料均靠人工操作，單機箱式發(fā)酵設備產量也不高，工作效率相對較低［1］。針對上述問題，設計紅茶一體化全自動發(fā)酵機對于提高紅茶品質和促進紅茶生產自動化程度都有重要意義。

2　整機結構及工作原理

2.1整機結構

紅茶自動發(fā)酵機由發(fā)酵房和電加熱蒸汽發(fā)生裝置、超聲波霧化裝置、茶葉提升機、正反輸送機、輸送裝置、控制裝置等組成，具體結構如圖1所示。其中發(fā)酵房包含傳動裝置、進料門、主體框架、傳動鏈條、支撐網帶、撥料刷子、傳動電機，發(fā)酵場所環(huán)境控制裝置、排濕風機、排氣口、霧氣管、蒸汽管以及隨智能化控制柜。

圖1　全自動發(fā)酵機結構示意圖

2.2工作原理

紅茶發(fā)酵的三要素：溫度、相對濕度和充足的氧氣［2］。生產時一般要求溫度控制在23～29℃，發(fā)酵環(huán)境相對濕度設定在95%以上，同時應保持發(fā)酵室內空氣流通以提供充足的氧氣。紅茶自動發(fā)酵機的設計就是在充分考慮以上三要素的基礎上［3］，配置加溫、加濕設備和進出氣口。針對目前紅茶發(fā)酵設備與發(fā)酵工藝結合不緊密而造成的發(fā)酵溫濕度不穩(wěn)定、難翻拌、缺氧、品質適度不統(tǒng)一等問題，設計了這種工夫紅茶自動化發(fā)酵機，對發(fā)酵結構、翻動裝置和加熱等裝置進行了設計，設備中各電器元件的工作狀態(tài)全部由智能化控制柜中的PLC控制系統(tǒng)控制，實現自動上料、出料，自動控制發(fā)酵時間和濕溫度，并自動供氧排氧，達到快速發(fā)酵目的，保證茶葉發(fā)酵均勻性，提高紅茶發(fā)酵品質。

3　關鍵部件設計

3.1發(fā)酵房

發(fā)酵房設有兩個進料口和兩個出料口。兩個進料口設于發(fā)酵房的頂部，兩個出料口分別設于發(fā)酵房的前側壁的下方和后側壁的下方。茶葉提升機的出料端延伸至正反輸送機的上方，茶葉提升機將茶葉從地面?zhèn)魉椭琳摧斔蜋C內。料槽的兩端分別設有一個出料孔，料槽兩端的出料孔分別對接有一勻堆裝置。勻堆裝置與控制裝置連接。勻堆裝置包括進料槽、勻葉器和可傳輸茶葉的輸送帶，輸送帶和勻葉器裝設于進料槽內，勻葉器連接有驅動電機，勻葉器可上下調整高度，輸送帶可調整松緊程度。進料槽的尾端設有出葉口，兩個勻堆裝置的出葉口分別對接發(fā)酵房的兩個進料口。

發(fā)酵房頂部設有進風口和排風口，排風口上有氣動排風裝置，該氣動排風裝置包括排風扇、氣缸、聯動桿和氣門，排風扇置于該排風口內，氣門可繞軸旋轉地置于排風口的頂部，聯動桿的一端與氣門固定連接，聯動桿的另一端與氣缸活動連接，氣缸與控制裝置連接。控制裝置還連接有兩個用于檢測茶葉是否鋪滿網帶輸送裝置的紅外傳感裝置，兩個紅外傳感裝置設于兩組網帶輸送裝置的第三網帶輸送機的出料端。

發(fā)酵房頂部設有八個進風口，八個進風口上分別裝設有進風裝置，進風裝置與控制裝置連接，每個進風口安裝一個進風扇。發(fā)酵房頂部設有兩個排風口，兩個排風口上分別設有氣動排風裝置，該氣動排風裝置包括排風扇、氣缸、聯動桿和氣門，排風扇置于該排風口內，氣門可繞軸旋轉地置于排風口的頂部，聯動桿的一端與氣門固定連接，聯動桿的另一端與氣缸活動連接，該氣缸與控制裝置連接。設有八個進風口，可使發(fā)酵房內部各角落的溫濕度更均勻；安裝兩個氣動排風裝置，當氣門打開，排風扇會自動工作，并根據設定好的時間進行換氧，且每隔一定時間換一次氧，保證茶葉發(fā)酵過程不會因為缺氧影響品質。

3.2蒸汽發(fā)生裝置

電加熱蒸汽發(fā)生裝置包括電加熱蒸汽發(fā)生器和進氣管，進氣管設有復數個出氣孔，進氣管置于發(fā)酵房內的底部。

3.3超聲波霧化裝置

超聲波霧化裝置用于增加發(fā)酵房內濕度，該超聲波霧化裝置與控制裝置連接，超聲波霧化裝置連接有進霧管，進霧管上設有復數個進霧孔，進霧管設于發(fā)酵房內的頂部。

超聲波霧化裝置連接有進霧管，超聲波霧化裝置根據現有技術條件進行選型，其含有超聲波霧化器和風扇，超聲波霧化裝置可產生冷霧，該進霧管上設有復數個進霧孔，進霧管設于發(fā)酵房內的頂部。電加熱蒸汽發(fā)生裝置包括電加熱蒸汽發(fā)生器和進氣管，進氣管設有復數個出氣孔，該進氣管設于發(fā)酵房內的底部。電加熱蒸汽發(fā)生裝置產生的熱蒸汽可控制該自動發(fā)酵機組內部的溫度，超聲波霧化裝置產生的冷霧主要控制自動發(fā)酵機組內部的濕度，把熱蒸汽和冷霧綜合在一起，達到平衡作用，達到溫度和濕度穩(wěn)定的控制效果，溫度和濕度可根據不同茶葉來進行調節(jié)。

3.4正反輸送機

正反輸送機可正向傳輸茶葉和可反向傳輸茶葉。正反輸送機包括第一料槽、輸送帶和用于驅動送帶的電機，輸送帶裝設于料槽內，料槽下是三層式發(fā)酵架，可實現不同批次進料。正反輸送機兩端的出料孔分別對接勻堆裝置，勻堆裝置與控制裝置連接，勻堆裝置包括進料槽、勻葉器和可傳輸茶葉的輸送帶，輸送帶和勻葉器裝設于進料槽內，勻葉器連接有驅動電機，進料槽的尾端設有出葉口，兩個勻堆裝置的出葉口分別與發(fā)酵房的兩個進料口相連。

3.5輸送裝置

輸送裝置包括兩組網帶輸送裝置，兩組網帶輸送裝置分別置于發(fā)酵房內的前后兩側。每組網帶輸送裝置包括三臺網帶輸送機，三臺網帶輸送機包括第一網帶輸送機、第二網帶輸送機和第三網帶輸送機，該第一網帶輸送機的進料端與對應的進料口相連，第一網帶輸送機置于發(fā)酵房內的上方。第二網帶輸送機裝置于第一網帶輸送機的下方，第二網帶輸送機的進料端伸出第一網帶輸送機的出料端，第二網帶輸送機的進料端承接第一網帶輸送機的出料端落下的茶葉。第三網帶輸送機裝置于第二網帶輸送機的下方，第三網帶輸送機的進料端伸出第二網帶輸送機的出料端，第三網帶輸送機的進料端承接第二網帶輸送機的出料端落下的茶葉。

3.6紅外傳感裝置

控制裝置還連接有兩個用于檢測茶葉是否鋪滿網帶輸送裝置的紅外傳感裝置，兩個紅外傳感裝置置于兩組網帶輸送裝置的第三網帶輸送機的出料端。紅外傳感裝置檢測到第三網帶輸送機的出料端鋪滿茶葉后，即向控制裝置發(fā)出信號，控制裝置停止該組網帶輸送裝置運作?？刂蒲b置還連接有用于檢測發(fā)酵房內溫度和濕度的傳感器?？刂蒲b置設有顯示面板，顯示面板可顯示發(fā)酵房內的溫度、濕度等參數。

4　設計內容

紅茶一體化自動發(fā)酵機有效利用傳動原理、支撐預算，并采用PLC控制原理對傳動部件、發(fā)酵場所控制部件、監(jiān)測部件進行實時控制、反饋和調整，實現紅茶加工全程自動化。

4.1采用部件結構

紅茶一體化全自動發(fā)酵機三維機構如圖2所示，整機包括發(fā)酵提升機、發(fā)酵分組跑車、發(fā)酵勻料平輸、發(fā)酵房、發(fā)酵出料輸送機、超聲波霧化器和電加熱蒸汽機、智能化控制柜，包含各個部件、設備之間的電纜等七大部分組成。

圖2　紅茶一體化全自動發(fā)酵機三維結構圖

4.2設計說明分析

4.2.1發(fā)酵提升機

發(fā)酵提升機采用PVC材質輸送皮帶、滾筒帶動、皮帶支撐板、不銹鋼折板鎖膠條攔邊、不銹鋼折板擋邊、調節(jié)茶葉量的調速撥料器等設計。發(fā)酵提升機整體設計有效的將茶葉有序從地面位置提升到較高工作位置，避免了茶葉落料、卡?，F象。

4.2.2發(fā)酵分組跑車

發(fā)酵分組跑車采用PVC材質輸送皮帶、滾筒帶動、皮帶支撐板、不銹鋼折板鎖膠條攔邊、輸送機安裝上滾輪、移動電機，移動電機的正反轉、皮帶電機的正反轉加上多個限位開關組成了行程可控的發(fā)酵分組跑車，將承接發(fā)酵提升機的茶葉進行分組作業(yè)。

4.2.3發(fā)酵勻料平輸

發(fā)酵勻料平輸采用PVC材質輸送皮帶、滾筒帶動、皮帶支撐板、不銹鋼折板鎖膠條攔邊、調節(jié)茶葉量的調速撥料器，組成了發(fā)酵勻料平輸，將承接發(fā)酵分組跑車的茶葉進行勻料作業(yè)，確保的發(fā)酵茶葉厚度的一致性。

4.2.4發(fā)酵房

發(fā)酵房外板采用的防濕、防腐蝕的蝸封板、不銹鋼u槽拼裝，要求各位位置不能漏水，內部結構見以下分析。

4.2.5發(fā)酵出料輸送機

發(fā)酵出料輸送機采用PVC材質輸送皮帶、滾筒帶動、皮帶支撐板、不銹鋼折板鎖膠條攔邊，組成了發(fā)酵出料輸送機，將承接發(fā)酵房中已經發(fā)酵完成茶葉的出料作業(yè)。

4.2.6發(fā)酵場所環(huán)境控制裝置

發(fā)酵場所環(huán)境控制裝置，超聲波霧化器和電加熱蒸汽機分別接上霧氣管，其中霧氣管進行等分位置的開孔處理和蒸汽管，其中蒸汽管進行等分位置的開孔處理，配合排濕風機和排氣口，組成了發(fā)酵場所環(huán)境控制裝置，控制發(fā)酵房中的溫度、濕度，保證著茶葉的有氧發(fā)酵。

4.2.7傳動裝置

傳動裝置由進料門、主體框架、傳動鏈條、支撐網帶、撥料刷子、傳動電機組成，輸送發(fā)酵勻料平輸的茶葉。裝置進行茶葉布料，支撐網帶末端安有的多位置物料傳感器，當檢測到茶葉時傳動裝置預采取停止指令，發(fā)酵提升機投料停止工作，已布置的茶葉進行發(fā)酵作業(yè)。

4.3試驗結果分析

設備采用以發(fā)酵空間（4m×2.4m×2.4m）進行綜合分析，以設備工作1個小時為例，耗水量。輔助配件熱電偶、溫度測試儀、壓力監(jiān)控原件、PLC控制系統(tǒng)等。

原來水量：M原來=20kg；

空間容積：V空間=4m×2.4m×2.4m=23.04m2；

水蒸氣密度：ρ=0.4kg/m3（在標準氣壓、35℃條件下）；

發(fā)酵完地板管收集冷凝水質量：M凝=7.8kg；

桶內水剩余：M余=2.07kg

懸浮于發(fā)酵環(huán)境中的水蒸氣質量

M=M原來-M凝-M余=20kg-9.3kg-2.07kg=8.63kg

懸浮于發(fā)酵環(huán)境中的水蒸氣體積

V=M/ρ=8.63kg/0.4kg/m3=21.56 m3

發(fā)酵環(huán)境中水蒸氣比例

η=V/V空間=21.56 m3/23.04 m3=0.936（即：93.6%）

試驗結果得到發(fā)酵環(huán)境中，水蒸氣在溫度35℃的比例為93.6%，符合茶葉的發(fā)酵環(huán)境。

5　結　論

工夫紅茶一體化全自動發(fā)酵機自動化程度較高，可實現自動上料、出料。采用多層次網帶輸送茶葉，增加發(fā)酵機的發(fā)酵產量，提高工作效率?？勺詣涌刂瓢l(fā)酵時間和溫濕度，且能自動供氧排氧，塑造良好的發(fā)酵環(huán)境，從而達到快速發(fā)酵目的，保證茶葉發(fā)酵均勻性，提高紅茶發(fā)酵品質，能夠很好的滿足優(yōu)質紅茶的發(fā)酵工藝技術要求，并且該紅茶發(fā)酵機具有結構簡單、操作方便等突出優(yōu)點，可進行廣泛的推廣和應用。

［1］權啟愛.條形紅茶加工設備及其使用技術［J］.中國茶葉，2011，33 （6）：10-12.

［2］方世輝，王先鋒，汪惜生.不同發(fā)酵溫度和程度對工夫紅茶品質的影響［J］.中國茶葉加工，2004（2）：19-21.

［3］林國軒，劉玉芳，郭春雨.我國工夫紅茶發(fā)酵適度時間監(jiān)控的研究進展［J］.大眾科技，2012（6）：125-127.

國家“十二五”科技支撐計劃項目（2014BAD06B06）“智能化節(jié)能茶葉采摘與加工關鍵技術裝備研制”、福建省科技重大專項項目（2015N3004）資助。

陳加友，碩士學位，高級講師，維修電工高級技師、集美大學客座教授、校外碩士生導師，主要從事機電和茶葉的教育教學工作。