閆建偉，劉啟合，魏松，尹杰，牛素貞

（1.550025 貴州省 貴陽市 貴州大學 機械工程學院；2.550025 貴州省 貴陽市 貴州大學 茶葉工程技術(shù)研究中心；3.550025 貴州省 貴陽市 貴州大學 茶學院）

0 引言

我國是茶葉生產(chǎn)大國，茶葉產(chǎn)量、茶園種植面積、茶葉產(chǎn)業(yè)規(guī)模和茶葉出口量均居世界前列[1]，中國茶葉產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展是推動全球茶葉貿(mào)易增長的主要因素和動力[2]。

隨著國內(nèi)茶葉生產(chǎn)規(guī)模的擴大和人們對優(yōu)質(zhì)茶葉需求的不斷增加,茶葉加工設(shè)備的發(fā)展對于茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展起著重要作用。茶葉烘干機對茶葉質(zhì)量和品質(zhì)的提升有著重要影響，經(jīng)過30 多年發(fā)展，我國茶葉烘干機已經(jīng)基本實現(xiàn)機械化，目前較為廣泛使用的是自動鏈板式茶葉烘干機。隨著茶產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和技術(shù)水平的提升，對茶葉烘干機的性能指標有了更高要求，對茶葉加工質(zhì)量和品質(zhì)都有了更高的追求。茶葉烘干機在結(jié)構(gòu)、控制以及自動化程度上都需要改進。茶葉烘干機發(fā)展至今，在結(jié)構(gòu)上變化并不大，僅僅是從熱量利用率、提高烘干均勻性等方面進行改進，目前仍存在能源利用率不高、自動化程度低等問題有待進一步研究解決。本文從茶葉烘干設(shè)備分類和工作原理出發(fā)，對茶葉烘干機的現(xiàn)狀和發(fā)展進行分析，旨在指出存在問題和技術(shù)改進的方向。

1 茶葉烘干設(shè)備分類和工作原理

1.1 按自動化程度分類

（1）手拉百葉式烘干機：由箱體、手柄、百葉板、鼓風機接口、出茶斗等組成，如圖1 所示。熱空氣通過鼓風機吹入箱體內(nèi)，自下而上流動，通過操作手柄轉(zhuǎn)動百葉板，使茶葉自上而下地下落，與熱空氣流動方向相反，最后從出茶斗得到烘干后的茶葉。生產(chǎn)效率較抽屜式烘干箱有所提高，但對于工人的操作熟練度和經(jīng)驗有著很高要求，茶葉受熱均勻度和含水量也無法保證，直接影響著茶葉的品質(zhì)。

（2）半自動百葉式烘干機：結(jié)構(gòu)上與手拉百葉式相似，均采用人工上茶葉，但可以自動出茶葉。機械傳動采用傳動鏈驅(qū)動裝于鏈上的撥塊，撥動連桿使百葉板定時自動旋轉(zhuǎn)，減少了人工操作不當對茶葉品質(zhì)的影響，但是茶葉干燥的均勻性較差。

（3）自動鏈板式烘干機：該機型的傳統(tǒng)產(chǎn)品是浙茶513 型，存在漏茶以及生產(chǎn)效率低等缺點。20 世紀70 年代，當時的農(nóng)業(yè)機械部牽頭研制了6CH 系列茶葉烘干機[3]，該機型由干燥箱、傳動裝置、送風裝置、熱風爐和輸送裝置等構(gòu)成，如圖2所示?？諝庠跓犸L爐內(nèi)加熱，由送風裝置送入干燥箱，熱量以對流方式傳送給茶葉，達到干燥的目的。

1.2 按干燥方式分類

熱風干燥：熱風干燥是以空氣導(dǎo)熱為主，具有導(dǎo)熱快、葉溫上升平穩(wěn)的特點。熱風是干燥過程中的主要媒體，其溫度、濕度和流速都較容易控制，能夠以適宜的溫度、濕度和均勻的流速和待干燥茶葉接觸，滿足茶葉干燥特性的要求，達到均勻干燥的目的。比較具有代表性的有百葉式烘干機和自動鏈板式烘干機。

金屬傳導(dǎo)干燥：熱量主要是由鐵鍋傳導(dǎo)，具有傳熱快的特點，但由于鍋面溫度高，使與之相接觸的葉片葉溫高，在不斷的翻炒過程中，葉溫是動態(tài)變化的，造成了受熱不均勻、受熱強弱不勻等問題，造成茶葉品質(zhì)參差不齊，整體品質(zhì)較低。比較具有代表性的機型是瓶式炒干機。

輻射干燥：輻射干燥是以紅外線或者微波作為傳熱介質(zhì)，來達到干燥的目的。

紅外線干燥原理：茶葉吸收紅外線后，引起內(nèi)部分子間的快速摩擦和碰撞，從而產(chǎn)生熱能以達到干燥茶葉的效果，具有快速、加熱均勻的特點，但是紅外線的穿透能力較差，影響茶葉的品質(zhì)[4]。圖3所示為一種遠紅外線茶葉烘干機的基本結(jié)構(gòu)[5]。

該機設(shè)置遠紅外線加熱板，結(jié)構(gòu)簡單，溫度調(diào)整方便，節(jié)能高效，減少了茶葉加工中的損耗，便于市場推廣和應(yīng)用。

微波干燥原理：茶葉接收到微波干燥器發(fā)射的微波，茶葉內(nèi)部的水分等極性分子隨微波頻率做相同頻率的快速運動并產(chǎn)生摩擦熱，導(dǎo)致茶葉內(nèi)外表面同時升溫，內(nèi)部的水分子逸出而被蒸發(fā)，達到干燥的效果[6]。

目前使用較為普遍的茶葉烘干機都沿用6CH型自動鏈板式茶葉烘干機的基本結(jié)構(gòu)，較早期的烘干機作了一些改進，能耗有了一定程度上降低，效率有了明顯提升。

2 國內(nèi)外烘干裝備發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外現(xiàn)狀

世界92%以上的茶葉產(chǎn)量來自中國、印度、日本、肯尼亞、孟加拉國等10 個國家[7]。國外早期的茶葉加工技術(shù)都直接或間接從我國傳入，國外制茶歷史雖然不長，但發(fā)展速度很快。目前，日本的茶葉產(chǎn)量雖然只排第9 位，但其茶葉加工機械水平卻是最高的，基本實現(xiàn)高度自動化、連續(xù)化生產(chǎn)。日本產(chǎn)茶工藝大多采用蒸青煎茶，每道工序有相應(yīng)設(shè)備，設(shè)備按工藝流程布置，能夠隨時間調(diào)整工作狀態(tài)[8]。日本推出的利用電磁波殺青加工高檔綠茶的方法，加工品質(zhì)較高[9]；日本的蒸汽殺青裝置可以實現(xiàn)封閉式殺青，在提升茶葉的色澤亮度的同時避免了人為導(dǎo)致的茶葉二次污染，保證了茶葉的清潔化生產(chǎn)[10]。印度是重要的茶葉生產(chǎn)、消費和出口國之一，茶葉種植水平高，主要以紅茶為主，但是在技術(shù)水平上相對其他國家較落后，茶葉加工機械自動化程度低[11-12]。印度、斯里卡等主要產(chǎn)茶國目前所使用的茶葉烘干機是與戴維生和杰克生發(fā)明的烘干機結(jié)構(gòu)基本相同的西羅柯烘干機[3]，使用火管式熱風爐，特點是機型普遍較大，攤?cè)~面積多達50 m2以上，僅熱風爐就有一個房間大小，設(shè)有熱風爐間（見圖4）。

2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(nèi)茶葉機械起步較晚，與國外特別是日本存在很大差距。20 世紀50 年代以后，我國的茶葉機械化開始起步，隨著科技的進步，茶葉機械行業(yè)迅速發(fā)展，適應(yīng)并推動了茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。初期主要以仿制為主，測繪和設(shè)計出了51 型茶葉烘干機等一批精制機械[3]，到1951 年6 月，包括烘干機在內(nèi)的制茶機械達到了2 000 多臺，廣泛使用于當時的重點產(chǎn)茶區(qū)，開啟了我國的茶葉烘干機的發(fā)展歷程，奠定了良好基礎(chǔ)。1965 年5 月，定名為CH513 型的茶葉烘干機完成試制并獲得推廣應(yīng)用，和51 型茶葉烘干機相比，513 型機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化和傳動結(jié)構(gòu)改善取得顯著進展，效率更高。到20 世紀70 年代，由于我國茶葉生產(chǎn)發(fā)展迅速，國內(nèi)僅有的CH513 型烘干機已經(jīng)滿足不了需求，開始了手拉百葉式茶葉烘干機的研發(fā)，在其后相繼研發(fā)了半自動手拉式茶葉烘干機、6CH-10 型和16 型等中、小型自動鏈板式茶葉烘干機以及6CH-20 型和50 型等大、中型自動鏈板式烘干機。

經(jīng)過不斷發(fā)展，茶葉烘干機在結(jié)構(gòu)、控制方式、加熱方式和熱能利用等方面都有了很大的提高。

2.2.1 結(jié)構(gòu)方面

目前市面上各類茶機新的結(jié)構(gòu)型式層出不窮，有鏈條烘板式、網(wǎng)帶式、流化床式、抽屜式、百葉式和滾筒式等結(jié)構(gòu)[13]，遠遠超出了茶葉機械標準規(guī)定的型式范圍。

一般的鏈式茶葉烘干機烘干后直接從出料口輸出茶葉，再通過人工對茶葉碎末進行篩選，不僅可能會對茶葉造成二次污染，還可能導(dǎo)致對茶葉的損傷，影響茶葉的品質(zhì)。針對這一問題，王興華、蔣勛[14]等人研制了一種自動烘干和自動篩分一體的鏈式茶葉烘干機，增加了抖動裝置，實現(xiàn)了料槽的震動篩選，可達到茶沫過濾60%左右，減少了茶葉的損傷和二次污染，大大降低了損耗率。邱益民[15]提出了一種茶葉烘焙機預(yù)加熱結(jié)構(gòu)，設(shè)置有轉(zhuǎn)筒和連接管，轉(zhuǎn)筒可對預(yù)加熱的茶葉進行翻轉(zhuǎn)，提高了茶葉的加熱均勻性，加熱箱內(nèi)多余的熱量再通過連接管傳到套筒內(nèi)，實現(xiàn)熱量的回收利用，提高了熱量的利用率。袁國強[16]提出了一種便于上料的茶葉烘焙機，通過連接桿和滑塊的設(shè)計，改善了現(xiàn)有的茶葉烘焙機不便于上料的問題。傳統(tǒng)的烘焙機械所提供的烘焙環(huán)境主要有2 種，一種是直接裸露在環(huán)境中進行烘焙，另一種是在烘箱中密封烘焙，前者由于直接裸露在環(huán)境中，導(dǎo)致茶葉的烘焙均勻性較差，后者由于密封，在空氣不對流的情況下會導(dǎo)致茶葉的品質(zhì)下降，對此，謝文月[17]提出了一種空氣循環(huán)結(jié)構(gòu)的茶葉烘焙設(shè)備，設(shè)置對流柵孔，利用熱空氣上升的原理，大大提升烘焙質(zhì)量。

為了保證茶葉烘干的均勻性，一般都會采取翻炒或攪拌的方式，烘干的茶葉較脆，易產(chǎn)生碎渣，如果茶渣沒有得到及時處理，對成茶品質(zhì)會有很大影響，所以在茶葉烘干過程加上除渣工藝很有必要。李震[18]等人結(jié)合機電系統(tǒng)設(shè)計一體化設(shè)計方法，設(shè)計了一種高效的自動除渣系統(tǒng)，即在立體筒式烘干機的基礎(chǔ)上通過在主烘干筒體外部連接風力抽取循流裝置[19]，通過風力篩選將茶渣和完整的茶葉分離，達到除渣的效果。通過加設(shè)回風管和導(dǎo)流管，實現(xiàn)熱風的回收利用，提高了烘干效率，在回風管內(nèi)部加設(shè)有除濕板，可高效除去熱氣中的水蒸氣，防止?jié)駳饣亓鳌?/p>

2.2.2 控制方面

茶葉烘干機在控制方面的改革創(chuàng)新甚少，從開始的人工操作開關(guān)控制到現(xiàn)在的計算機控制、單片機控制，技術(shù)方面還處于初步發(fā)展階段，尚未完全成熟，距離自動化、智能化還有很長的一段路要走。傳統(tǒng)的人工控制具有勞動強度大、能源利用率低下、溫度控制效果不理想等缺點，嚴重影響了茶葉的品質(zhì)。利用計算機實現(xiàn)對茶葉烘干各個環(huán)節(jié)的控制，控制精度明顯高于人工，可以實時監(jiān)控烘葉含水率及風溫變化情況,及時予以相應(yīng)調(diào)整[20]，對于茶葉品質(zhì)的提升有著重要的意義。

集散控制系統(tǒng)（DCS）是集合了計算機、CRT等多種技術(shù)的一種計算機智能控制系統(tǒng)[21]，可實現(xiàn)連續(xù)性控制和邏輯順序控制等功能，具有信息化和集成化的多種優(yōu)點，既可以執(zhí)行生產(chǎn)，又可以對生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)控。

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）是結(jié)合了自動化和通信技術(shù)的一種動態(tài)軟件，具有采集工藝參數(shù)及設(shè)備信號的功能，可以完成對生產(chǎn)加工過程的實時監(jiān)控。SCADA 分為上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng)，上位機系統(tǒng)主要負責加工過程的管理，即對軟件的控制；下位機系統(tǒng)則負責烘干現(xiàn)場的控制，完成茶葉烘干的過程，即對硬件的控制。上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng)主要是通過網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn)信息的互通[6]，如表1 所示。

表1 SCADA 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Tab.1 Structure of SCADA system

基于DCS 技術(shù)設(shè)計的SCADA 監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控烘干工藝過程、設(shè)備狀態(tài)，并記錄烘干過程歷史信息。系統(tǒng)主要包括：輸入模塊、監(jiān)控模塊、輸出模塊。首先，通過PID 模糊控制算法對烘干工藝參數(shù)（溫度、濕度和時間）進行控制，再通過模糊算法完成烘干時間的控制[22]，工作性能比較穩(wěn)定，能夠充分保證茶葉的烘干質(zhì)量和品質(zhì)，很大程度上提高了茶葉的烘干效率。

DMC（動態(tài)矩陣控制）算法相比PID 算法具有較好的動態(tài)響應(yīng)和魯棒性，但抗干擾能力較差。

針對在茶葉烘干時具有遲滯、大慣性和非線性的特點，李兵[23]等人設(shè)計了一種基于DMC-PID串級控制的烘干機，采用多層隧道式，加熱元件為電加熱遠紅外輻射板。烘干機和各層輸送帶線速度可調(diào)，采用上加熱方式，而且每塊輻射板溫度獨立可調(diào)，實現(xiàn)變溫烘培，不僅提高了溫度的控制精度，而且減小了最大超調(diào)量。參見圖5。

烏蘭等人[24]通過對粒子群算法（PSO）進行混沌處理，得出了一種改進粒子群算法（IPSO）,然后通過IPSO 對模糊PID 控制器的參數(shù)進行優(yōu)化，IPSO 優(yōu)化模糊PID 控制時溫度變化幅度小，控制效果最佳，響應(yīng)速度更快，達到穩(wěn)態(tài)時間短，解決了粒子群算法易早熟、尋優(yōu)效率低以及PID 參數(shù)無法實時在線調(diào)整的缺點。

在其他領(lǐng)域，崔京華[25]針對晶體退火爐只能通過輻射傳熱，并不能通過對流或者傳導(dǎo)的方式來實現(xiàn)傳熱的特點提出了一種基于單片機控制的溫度智能控制系統(tǒng)，高效控制和解決了退火爐爐膛溫度中存在的響應(yīng)速度慢、溫度分布不均勻、較大超調(diào)量以及工件溫度滯后嚴重等問題。這一技術(shù)可用在基于輻射傳熱的茶葉烘干機械上，對于提升茶葉的品質(zhì)有著積極的促進作用。

2.2.3 加熱方式

茶葉烘干機主要是以空氣為媒介，傳統(tǒng)烘干機的烘焙方式有炭灶烘焙、煤火烘焙、液化汽烘焙等[26]，主要是通過爐灶直接加熱空氣，熱空氣對待烘干茶葉進行脫水烘干，熱風風干雖然結(jié)構(gòu)較簡單，但是效果不理想，受熱不均勻，存在小規(guī)?；?、有毒物質(zhì)殘留、成本高等不利因素。近些年來，在加熱方式上，也提出了很多不同于傳統(tǒng)的加熱方式。

利用電熱絲伸進烘干箱內(nèi)部[27]，通過電熱絲對烘干箱內(nèi)部進行烘干，相比傳統(tǒng)的明火加熱，加熱效果更好，受熱更均勻。利用遠紅外線輻射板[28]均勻分布于箱體的內(nèi)壁表面，均勻地對箱體內(nèi)的茶葉進行烘干。遠紅外線加熱屬于輻射加熱，不會對環(huán)境造成污染，而且電熱石英管安全系數(shù)高，對人體傷害小。茶葉內(nèi)外表面分子同時吸收輻射能，產(chǎn)生自發(fā)熱效應(yīng)，受熱較均勻，有利于減少污染和資源的浪費，提高了茶葉的烘干品質(zhì)。肖穎謙[29]提出了一種太陽能熱風裝置。利用太陽能加熱空氣，提供熱風作為烘干熱源，節(jié)省了大量電能，節(jié)能減排效果顯著，并降低了烘干成本。在加熱倉內(nèi)設(shè)置遠紅外電加熱器，輔助電加熱，從而快速提高熱空氣的溫度，滿足烘干工藝溫度要求。參見圖6。

寧大海[30]等提出了一種滾筒式微波加熱烘干機，利用了微波對極性分子加熱的特點，直接作用于待烘干茶葉上，由內(nèi)到外進行加熱烘干，提升了烘干效率，縮短了烘干的時間。與傳統(tǒng)的加熱方式相比，微波具有加熱效率高、慣性小等特點，可實現(xiàn)溫度的快速升降控制，但也存在加熱的均勻性問題，范志鵬[31]等提出一種基于雙端口的提高加熱均勻性的雙頻微波加熱模型，使用915 MHz 的電磁波和2 450 MHz 的電磁波同時對物質(zhì)進行加熱，通過2 個端口和2 個微波頻率的使用，提高了加熱的均勻性。將雙端口加熱的技術(shù)應(yīng)用于茶葉加熱烘干中，對于提高茶葉烘干的均勻性具有重要意義。

2.2.4 能源利用

茶葉烘干機在烘干后排放的廢氣中含有大量余熱，如果不能充分回收利用這些余熱，不僅造成了資源浪費、室內(nèi)環(huán)境污染，而且還會使烘培效率降低。如何利用好廢氣余熱，對于節(jié)約資源、節(jié)約制茶成本和能耗都有著重要意義。

在回收廢氣余熱方面也進行了很多研究，如利用管殼式熱管交換器[32]進行熱量的回收利用，將烘干機的廢氣進行回收，對送入熱風爐的冷空氣進行加熱升溫處理，從而提高了熱風爐中冷空氣的初始加熱溫度，對于節(jié)約能源、降低制茶的成本和提高烘干效率起到了重要的作用。管殼式熱管交換器是一種殼體內(nèi)設(shè)置有許多平行管子的熱交換裝置，其結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

熱泵作為一種清潔能源技術(shù)，利用從空氣中吸收來的熱能可以為烘干機提供熱量，這一技術(shù)可用于烘干機的熱量回收上，對于節(jié)能有著重要的意義。利用熱泵干燥技術(shù)和其他干燥技術(shù)相結(jié)合的方式可以實現(xiàn)節(jié)能的效果，關(guān)志強[33]等研究了羅非魚片熱泵-微波聯(lián)合干燥工藝；王教領(lǐng)[34]等對微波熱泵聯(lián)合干燥機作了試驗研究，發(fā)現(xiàn)熱泵-微波聯(lián)合干燥時間比熱泵干燥時間縮短了2/3。聯(lián)合干燥技術(shù)利用了各干燥技術(shù)的優(yōu)點，將各種干燥技術(shù)的優(yōu)勢互補，從而有效地避免了單一干燥所具有的劣勢。將聯(lián)合干燥技術(shù)應(yīng)用于茶葉烘干，對于節(jié)能和茶葉品質(zhì)的提升有著重要的意義。

3 問題

（1）烘干的均勻性及茶渣的處理。在烘干過程中，為了保證茶葉的烘干均勻性，常常需要利用翻轉(zhuǎn)或攪拌的方式，而烘干后的茶葉較脆，在外力的作用下易破碎從而產(chǎn)生碎渣，如果碎渣沒有得到及時的處理或者沒有處理，對于成茶的品質(zhì)會有很大的影響。目前有很多對于茶渣的處理方式，有烘干后統(tǒng)一人工處理的方式，有增設(shè)抖動機構(gòu)進行茶渣的篩選，還有利用風的篩選功能進行茶渣的收集等，這些方式有一定的積極效果，但并未真正做到篩選干凈，而且人工篩選帶來的勞動力增強、成本等這些問題也是要納入考慮的。怎么樣提高除渣效率還有待進一步在結(jié)構(gòu)上進行優(yōu)化和創(chuàng)新；

（2）熱能的利用率。相比于傳統(tǒng)機械，熱能的利用率雖有了一定的提升，但仍有很大的提升空間，利用回流管對廢氣進行二次利用在一定程度上節(jié)省了能源，但其中仍有很大一部分熱量未能充分利用，包括二次排放和與空氣對流損失的熱量。保溫效果更好的材料的應(yīng)用以及在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化是我們目前所需要考慮的；

（3）溫度的線性化控制。成茶品質(zhì)很大一部分取決于溫度控制的精確度，在茶葉的烘干過程中，溫度并不是一成不變的，而是一個線性變化的過程，不同的過程所需的最適溫度不同，目前應(yīng)用于茶葉烘干過程的控制方式有很多，最常見的有人工控制、單片機控制等技術(shù)。人工控制具有勞動強度大、能源利用率低下、溫度控制效果不理想等缺點，控制精確度較低；單片機控制的精度明顯高于人工，控制效果較好，但仍存在問題，如控制超調(diào)量的大小、響度速度的快慢、達到穩(wěn)態(tài)時間的長短等問題仍有待優(yōu)化和創(chuàng)新。

4 建議

（1）引入保溫效果更好的新型材料。有助于節(jié)省能源，提高烘干效率。

（2）重視基礎(chǔ)研究。在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化創(chuàng)新，對于推動整個行業(yè)的進步有著積極的作用。

（3）積極借鑒其他領(lǐng)域的先進技術(shù)。將其他領(lǐng)域的先進技術(shù)應(yīng)用到茶葉烘干領(lǐng)域，對于茶葉領(lǐng)域的進步和創(chuàng)新會有著很大的推動作用。

（4）推動技術(shù)融合。技術(shù)融合能夠互補各項技術(shù)的缺陷，做到智能集于一體，真正做到智能化、集成化。

5 結(jié)語

茶葉烘干機經(jīng)過了長期的發(fā)展，從傳統(tǒng)的竹制烘籠、手拉百葉式、半自動百葉式到自動鏈板式，烘干機無論在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、控制、加熱方式以及熱能利用等方面都有了極大的性能提升。目前很多烘干機都是在自動鏈板式烘干機的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，生產(chǎn)效率高，而且茶葉的烘干質(zhì)量和品質(zhì)受人工因素的影響較小。但在自動化程度、控制、熱能利用等方面都有待進一步的優(yōu)化和創(chuàng)新，連續(xù)化、信息化、智能化仍然是待努力和重點研究的方向，對于提高茶品質(zhì)的質(zhì)量以及茶產(chǎn)業(yè)設(shè)備技術(shù)的水平都有著重要的意義，將會為我國甚至世界的茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出重大貢獻。