茶叶微波杀青烘干机有关设计问题的探讨

1茶叶微波杀青烘干机有关设计问题的探讨陈细兵李伏桃杨奕锋（岳阳市农业机械化研究所，湖南岳阳414000）摘要：微波具有穿透性及非热效应，能快速升温至茶叶杀青、烘干所需温度，破坏鲜叶中酶的活性，制止酶促反应，针对茶叶的生物和物理特性，充分利用微波的基本特性，通过对设备结构的合理优化设计，可以较好地解决传统杀青、烘干工艺中所存在的一系列降低茶叶品质的问题。关键词：茶叶；微波；杀青烘干；设计;探讨TheDiscussionoftheTeaMicrowaveFixing&DryingMachine’sdesignCHENXi-bing,LIFu-tao,YANGYi-feng(AgriculturalMechanizationResearchInstituteofYueyangCity,Yueyang.Hunan,414000,China)Abstract:Microwavewithapenetratingandnon-thermaleffects,rapidheatingtoteafixing,dryingtherequiredtemperature,destructionoffreshleavesintheactivity,stoptheenzymaticreactionforthebiologicalandphysicalpropertiesoftea,fulluseofthebasiccharacteristicsofmicrowave,reasonablestructurebyoptimizingthedevicedesign,cansolvethetraditionalfixation,dryingprocessoftheexistenceofalowerqualityoftheteaquestion.Keywords:tea;microwave;fixing&drying;design；Discussion第一作者情况：陈细兵男1976-01工程师农业机械研发与推广Email:[e-mail]133073027891前言用微波加热技术进行茶叶的杀青烘干实质上是微波发生器直接或间接地将微波辐射到茶叶表面并穿透其内部，使茶叶内部在瞬间产生摩擦热，导致茶叶表面及内部同时升温，且茶叶内部温度高于表面温度，致使大量的水分子从茶叶中逸出而被蒸发掉，从而达到杀青、干燥的目的。微波加热技术杀青干燥茶叶的特点是加热时间短、内、外温度基本一致，其热传递方向从内向外且与湿传递方向一致；而常规加热方式杀青干燥茶叶却需要一定的时间才能将热量从外表面传递到茶叶内部，存在内、外温度差和湿、热传递方向相反的问题。12物料热介质微波3321（a）常规加热（b）微波加热1—温度梯度方向２—蒸汽（质量）迁移方向３—热量传导方向2图1茶叶杀青后的含水率应为58—60%，干燥后的含水率应为4—6%，加工后的茶叶要求保持原味、原样、原色，基本营养成份不散失、安全卫生，且制成的茶叶经开水泡开，其色泽、形状、味道与新鲜茶叶基本一致。茶叶的实际情况是不同季节所产的茶叶其生理结构就会有所不同，组织的含水率和细嫩程度不同，用于制茶的原料就不同。如清明前后的茶叶大多是组织较嫩、含水率较高的叶芽，而夏秋季用于制茶的原料大多是组织较老的叶片，不同季节所产鲜叶，其杀青干燥的工艺要求不同，这就给杀青、烘干的设备及技术带来了一定难度。目前茶叶的炒青工艺和热风干燥工艺随意性较大，设备的加热温度难以控制，在加工过程中，茶叶易产生红梗、红叶，叶片焦黄、色泽不匀等现象，茶叶品质难以保证。微波具有穿透性及非热效应，能快速升温至茶叶杀青、烘干所需温度，破坏鲜叶中酶的活性，制止酶促反应，针对茶叶的生物和物理特性，充分利用微波的基本特性，通过对设备结构的合理优化设计，可以较好地解决传统杀青、烘干工艺中所存在的一系列降低茶叶品质的问题。2茶叶微波杀青烘干机主要参数的选择与确定2.1磁控管工作频率的选定目前广泛用于工业微波加热的磁控管工作频率有915MHZ和2450MHZ两种，在具体选择与确定微波加热设备工作频率时应考虑以下几个方面的因素：2.1.1被加工物料的体积及厚度。由于微波穿透物料的深度与加工时选用的工作频率、被加工物料的介电常数及介质损耗有关，因此当物料在915MHZ和2450MHZ两种工作频率下介电常数及介质损耗相差不大时，选用915MHZ微波工作频率穿透物料的深度就大，此时可加工较厚、体积较大的物料。2.1.2物料的含水量及介质损耗。一般来说，被加工物料的含水量越大，其介质损耗也越大。对于含水量高的物料，可以采用915MHZ的微波工作频率，在此工作频率下物料的介质损耗相应也会越大，对于含水量低的物料，选用2450MHZ的微波工作频率比较恰当，但实际应用中究竟选用哪种频率，最好通过实验确定。2.1.3总加工量及加工成本。微波电子可能获得的功率与磁控管工作频率有关。例如：频率为915MHZ磁控管的单管可以获得30KW或60KW的功率，频率为2450MHZ的磁控管单管最大输出功率只可达10KW，915MHZ磁控管的工作效率一般比2450MHZ磁控管的工作效率高10—20%，如果要在2450MHZ频率上获得30KW以上的功率，就必须采用几个磁控管并联，或采用价格较高的速调管，因此在加工大批量的物料时，往往选用915MHZ频率的磁控管。2.1.4设备的体积。一般来说，2450MHZ频率的磁控管及其波导均比915MHZ磁控管的体积小，因此具体到加热器的尺寸，2450MHZ工作频率的要比915MHZ的小巧。目前茶叶微波杀青烘干机主要用于中、高档名优绿茶的加工，茶叶加工企业生产名优茶的产量均较低，尽管鲜叶含水量较高但茶叶叶片较薄，设计时综合考虑以上几个方面的因素和设备的制造成本及用户使用成本，选用频率为2450MHZ的磁控管通过分组并联达到所需要的功率较为理想。2.2所需功率的确定在计算茶叶微波杀青烘干机功率时，首先要考虑的是鲜叶由初始平均含水率75%左右快速脱水至杀青后的最佳平均含水率60%，能快速升温到最佳温度80℃时鲜叶所需吸收的热量Q，可由下式计算得出。Q=M[W1(T2－T1)×1＋C(1－W1)(T2－T1)＋539(W1－w2)]………(1)M——每分钟处理鲜叶量，即生产率，以小机型0.5㎏/min为例W1——鲜叶初始含水率，平均为75%W2——杀青后的最佳平均含水率60%T1——鲜叶加工前的初始温度,平均为20℃T2——杀青应达到的最佳温度80℃C——茶叶的比热1.63将以上数据代入式（1），则可得：3Q=0.5×[0.75×(80－20)×1＋1.63×(1－0.75)×(80－20)＋539×(0.75－0.6)]=75kcal/min所需微波总功率P=0.07Q／η1η2………………(2)其中：η1——微波工作频率转换效率，一般为90%η2—微波加热转换效率，一般为80%将η1、η2代入式(2)得所需微波总功率：P=0.07×75／0.9×0.8≈7KW根据以上计算，结合目前国内所产工作频率为2450MHZ磁控管的规格、型号及参数情况，考虑到保证加热均匀等因素，当要达到处理鲜叶生产率为30kg/h时，选用9只单管功率为850W的磁控管分为3组配置较为合适。3加热器结构型式的选定微波加热技术是比较成熟的技术，用微波对物料进行加热的方式有多种多样，因而加热器的型式也有多种，目前常用的有微波箱式加热器、行波场波导式加热器、辐射型微波加热器、慢波型微波加热器、梯形加热器，具体选择什么型式的加热器则要取决于物料的形状、数量及加工要求。例如当物料需流水线连续生产时，为了获得均匀的加热，可以利用传送带或靠物料本身的传送，这时往往采用隧道式谐振腔加热器；对于小批量生产或实验室取样试验物料，一般可以采用单个小型谐振腔式加热器；对于薄片物料，根据待加工物品的不同可以选择不同型式的加热器，如采用慢波结构的加热器。在设计茶叶微波杀青烘干设备时，根据各微波加热器的特点，综合考虑茶叶本身的生物、物理特性及设备加工、操作、维护等方面的一些相关因素，采用连续多谐振腔式微波加热器作为基本设计机型较合适，实践证明具有明显的优点。3.1通过单个谐振腔的叠加组合，可以比较方便地得到理论设计所需要的功率，便于茶叶杀青、烘干工艺的研究和确定，微波功率大小在设定的范围内可按需调节。3.2可简化整机设计，板块型式，组合安装，加工、运输、维修方便；用户使用既可小批量生产，又可进行连续性大批量生产。3.3防微波泄露性能好，设备制造成本相对较低。4满足茶叶微波杀青烘干最佳工艺效果有关配套装置设计在进行茶叶微波杀青烘干加工试验中，我们发现不同季节，同一季节不同天气情况下采摘的茶叶在相同的机具下加工，杀青、烘干的效果有比较大的差异，其原因是春、夏、秋茶生长季节雨水量的多少不同，鲜叶老嫩程度不同所造成的。主要表现为：夏、秋茶以及较老鲜叶在杀青时失水较快、易干，不利于后道工序的加工，同时由于微波直接辐射于茶叶上，微波腔内的微波能并非理想化的绝对均匀，从而造成杀青时茶叶色泽不均匀、深浅不一。针对茶叶本身的特性，为解决以上问题，实践证明通过以下一些装置的设计和使用，能取得非常理想的效果。4.1超雾化补液装置如图２所示，为了满足春、夏、秋茶不同的含水率及老嫩程度不同茶叶杀青时工艺的需要，在鲜叶进料口处配置一套超雾化补液装置，当被加工的茶叶含水率较低，且较老时，适当补充一定水份，可大大提高加工后成茶的品质。1、超雾化室2、超雾化喷头3、补液输送管4、补液泵5、液体箱图244.2内密封杀青室为了防止微波能直接辐射于茶叶，并解决微波能辐射并非理想化绝对均匀的问题，我们在设计过程中，通过反复的实践摸索，采用如图3所示的方案，即在微波辐射箱内设计内密封杀青室，这样可以保证杀青后茶叶的色泽和品质达到名优茶的标准。1、箱体2、复合材料密封装置3、茶叶4、输送带图34.3物料出口散热装置用微波加热技术杀青、烘干后的茶叶表面温度、湿度都较高，若不能迅速使加工完的茶叶降温，除湿，就容易影响茶叶的色泽和品质。为解决此问题，可在茶叶出口处配套设计吹风散热装置，一可以将茶叶散热除湿，二可以将茶叶中的一些老叶吹出去。5结论微波加热技术目前是一种应用范围非常广，技术相当成熟的工业技术，而且用于工业微波的元器件质量也相当可靠，但将该项技术应用于茶叶的杀青烘干时，对设备的研发设计制造必须在考虑微波本身特性、元器件特性基础上，充分结合茶叶本身的物理、生物特性和加工工艺的要求，进行有针对性的设计、实验和实践，方可达到优于传统方法的理想效果。参考文献：1、李笑光：《农作物干燥与通风贮藏》天津：天津科学出版社1989、24－252、陈荣耀：《工程热力学及传热学》北京：中国农业出版社1992、158－1703、应回新：《微波加热与微波技术》北京：国际工业出版社1981、22－624、王绍林：《微波加热技术在食品加工中应用》食品科学2000、2、6－95、潘根生主编：《茶叶大全》北京：中国农业出版社19946、龚淑英：《茶叶品质的描述和部份评茶术语含义及应用》中国茶叶网2002