茶葉微波殺青烘干機(jī)的設(shè)計知識

1前言

用微波加熱技術(shù)進(jìn)行茶葉的殺青烘干實質(zhì)上是微波發(fā)生器直接或間接地將微波輻射到茶葉表面并穿透其內(nèi)部，使茶葉內(nèi)部在瞬間產(chǎn)生摩擦熱，導(dǎo)致茶葉表面及內(nèi)部同時升溫，且茶葉內(nèi)部溫度高于表面溫度，致使大量的水分子從茶葉中逸出而被蒸發(fā)掉，從而達(dá)到殺青、干燥的目的。微波加熱技術(shù)殺青干燥茶葉的特點(diǎn)是加熱時間短、內(nèi)、外溫度基本一致，其熱傳遞方向從內(nèi)向外且與濕傳遞方向一致；而常規(guī)加熱方式殺青干燥茶葉卻需要一定的時間才能將熱量從外表面?zhèn)鬟f到茶葉內(nèi)部，存在內(nèi)、外溫度差和濕、熱傳遞方向相反的問題。

（a）常規(guī)加熱                            （b）微波加熱

1—溫度梯度方向   ２—蒸汽（質(zhì)量）遷移方向  ３—熱量傳導(dǎo)方向

圖1

茶葉殺青后的含水率應(yīng)為58—60%，干燥后的含水率應(yīng)為4—6%，加工后的茶葉要求保持原味、原樣、原色，基本營養(yǎng)成份不散失、安全衛(wèi)生，且制成的茶葉經(jīng)開水泡開，其色澤、形狀、味道與新鮮茶葉基本一致。茶葉的實際情況是不同季節(jié)所產(chǎn)的茶葉其生理結(jié)構(gòu)就會有所不同，組織的含水率和細(xì)嫩程度不同，用于制茶的原料就不同。如清明前后的茶葉大多是組織較嫩、含水率較高的葉芽，而夏秋季用于制茶的原料大多是組織較老的葉片，不同季節(jié)所產(chǎn)鮮葉，其殺青干燥的工藝要求不同，這就給殺青、烘干的設(shè)備及技術(shù)帶來了一定難度。目前茶葉的炒青工藝和熱風(fēng)干燥工藝隨意性較大，設(shè)備的加熱溫度難以控制，在加工過程中，茶葉易產(chǎn)生紅梗、紅葉，葉片焦黃、色澤不勻等現(xiàn)象，茶葉品質(zhì)難以保證。微波具有穿透性及非熱效應(yīng)，能快速升溫至茶葉殺青、烘干所需溫度，破壞鮮葉中酶的活性，制止酶促反應(yīng)，針對茶葉的生物和物理特性，充分利用微波的基本特性，通過對設(shè)備結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化設(shè)計，可以較好地解決傳統(tǒng)殺青、烘干工藝中所存在的一系列降低茶葉品質(zhì)的問題。

2茶葉微波殺青烘干機(jī)主要參數(shù)的選擇與確定

2.1 磁控管工作頻率的選定

目前廣泛用于工業(yè)微波加熱的磁控管工作頻率有915MHZ和2450MHZ兩種，在具體選擇與確定微波加熱設(shè)備工作頻率時應(yīng)考慮以下幾個方面的因素：

2.1.1 被加工物料的體積及厚度。由于微波穿透物料的深度與加工時選用的工作頻率、被加工物料的介電常數(shù)及介質(zhì)損耗有關(guān)，因此當(dāng)物料在915MHZ和2450MHZ兩種工作頻率下介電常數(shù)及介質(zhì)損耗相差不大時，選用915MHZ微波工作頻率穿透物料的深度就大，此時可加工較厚、體積較大的物料。

2.1.2 物料的含水量及介質(zhì)損耗。一般來說，被加工物料的含水量越大，其介質(zhì)損耗也越大。對于含水量高的物料，可以采用915MHZ的微波工作頻率，在此工作頻率下物料的介質(zhì)損耗相應(yīng)也會越大，對于含水量低的物料，選用2450MHZ的微波工作頻率比較恰當(dāng)，但實際應(yīng)用中究竟選用哪種頻率，最好通過實驗確定。

2.1.3 總加工量及加工成本。微波電子可能獲得的功率與磁控管工作頻率有關(guān)。例如：頻率為915MHZ磁控管的單管可以獲得30KW或60KW的功率，頻率為2450MHZ的磁控管單管最大輸出功率只可達(dá)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頻率上獲得30KW以上的功率，就必須采用幾個磁控管并聯(lián)，或采用價格較高的速調(diào)管，因此在加工大批量的物料時，往往選用915MHZ頻率的磁控管。

2.1.4 設(shè)備的體積。一般來說，2450MHZ頻率的磁控管及其波導(dǎo)均比915MHZ磁控管的體積小，因此具體到加熱器的尺寸，2450MHZ工作頻率的要比915MHZ的小巧。

目前茶葉微波殺青烘干機(jī)主要用于中、高檔名優(yōu)綠茶的加工，茶葉加工企業(yè)生產(chǎn)名優(yōu)茶的產(chǎn)量均較低，盡管鮮葉含水量較高但茶葉葉片較薄，設(shè)計時綜合考慮以上幾個方面的因素和設(shè)備的制造成本及用戶使用成本，選用頻率為2450MHZ的磁控管通過分組并聯(lián)達(dá)到所需要的功率較為理想。

2.2 所需功率的確定

在計算茶葉微波殺青烘干機(jī)功率時，首先要考慮的是鮮葉由初始平均含水率75%左右快速脫水至殺青后的最佳平均含水率60%，能快速升溫到最佳溫度80℃時鮮葉所需吸收的熱量Q，可由下式計算得出。Q=M[W1(T2－T1)×1＋C(1－W1)(T2－T1)＋539(W1－w2)]………(1)

M—— 每分鐘處理鮮葉量，即生產(chǎn)率，以小機(jī)型0.5㎏/min為例

W1—— 鮮葉初始 含水率，平均為75%

W2——殺青后的最佳平均含水率60%

T1——鮮葉加工前的初始 溫度,  平均為20℃

T2——殺青應(yīng)達(dá)到的最佳溫度80℃

C——茶葉的比熱1.63

  將以上數(shù)據(jù)代入式（1），則可得：

Q=0.5×[0.75×(80－20)×1＋1.63×(1－0.75)×(80－20)＋539×(0.75－0.6)]= 75kcal/min

   所需微波總功率 P=0.07Q／η1η2………………(2)

其中：η1——微波工作頻率轉(zhuǎn)換效率，一般為90%

            η2—微波加熱轉(zhuǎn)換效率，一般為80%

 將η1、η2代入式(2)得所需微波總功率：

          P=0.07×75／0.9×0.8≈7KW

根據(jù)以上計算，結(jié)合目前國內(nèi)所產(chǎn)工作頻率為2450MHZ磁控管的規(guī)格、型號及參數(shù)情況，考慮到保證加熱均勻等因素，當(dāng)要達(dá)到處理鮮葉生產(chǎn)率為30kg/h時，選用9只單管功率為850W的磁控管分為3組配置較為合適。

3加熱器結(jié)構(gòu)型式的選定

微波加熱技術(shù)是比較成熟的技術(shù)，用微波對物料進(jìn)行加熱的方式有多種多樣，因而加熱器的型式也有多種，目前常用的有微波箱式加熱器、行波場波導(dǎo)式加熱器、輻射型微波加熱器、慢波型微波加熱器、梯形加熱器，具體選擇什么型式的加熱器則要取決于物料的形狀、數(shù)量及加工要求。例如當(dāng)物料需流水線連續(xù)生產(chǎn)時，為了獲得均勻的加熱，可以利用傳送帶或靠物料本身的傳送，這時往往采用隧道式諧振腔加熱器；對于小批量生產(chǎn)或?qū)嶒炇胰釉囼炍锪希话憧梢圆捎脝蝹€小型諧振腔式加熱器；對于薄片物料，根據(jù)待加工物品的不同可以選擇不同型式的加熱器，如采用慢波結(jié)構(gòu)的加熱器。在設(shè)計茶葉微波殺青烘干設(shè)備時，根據(jù)各微波加熱器的特點(diǎn)，綜合考慮茶葉本身的生物、物理特性及設(shè)備加工、操作、維護(hù)等方面的一些相關(guān)因素， 采用連續(xù)多諧振腔式微波加熱器作為基本設(shè)計機(jī)型較合適，實踐證明具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。

3.1 通過單個諧振腔的疊加組合，可以比較方便地得到理論設(shè)計所需要的功率，便于茶葉殺青、烘干工藝的研究和確定，微波功率大小在設(shè)定的范圍內(nèi)可按需調(diào)節(jié)。

3.2可簡化整機(jī)設(shè)計，板塊型式，組合安裝，加工、運(yùn)輸、維修方便；用戶使用既可小批量生產(chǎn)，又可進(jìn)行連續(xù)性大批量生產(chǎn)。

3.3防微波泄露性能好，設(shè)備制造成本相對較低。

4滿足茶葉微波殺青設(shè)備最佳工藝效果有關(guān)配套裝置設(shè)計

在進(jìn)行茶葉微波殺青烘干加工試驗中，我們發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)，同一季節(jié)不同天氣情況下采摘的茶葉在相同的機(jī)具下加工，殺青、烘干的效果有比較大的差異，其原因是春、夏、秋茶生長季節(jié)雨水量的多少不同，鮮葉老嫩程度不同所造成的。主要表現(xiàn)為：夏、秋茶以及較老鮮葉在殺青時失水較快、易干，不利于后道工序的加工，同時由于微波直接輻射于茶葉上，微波腔內(nèi)的微波能并非理想化的絕對均勻，從而造成殺青時茶葉色澤不均勻、深淺不一。針對茶葉本身的特性，為解決以上問題，實踐證明通過以下一些裝置的設(shè)計和使用，能取得非常理想的效果。

4.1超霧化補(bǔ)液裝置

如圖２所示，為了滿足春、夏、秋茶不同的含水率及老嫩程度不同茶葉殺青時工藝的需要，在鮮葉進(jìn)料口處配置一套超霧化補(bǔ)液裝置，當(dāng)被加工的茶葉含水率較低，且較老時，適當(dāng)補(bǔ)充一定水份，可大大提高加工后成茶的品質(zhì)。 

1、超霧化室   2、超霧化噴頭   3、補(bǔ)液輸送管   4、補(bǔ)液泵  5、液體箱

圖 2

4.2內(nèi)密封殺青室

為了防止微波能直接輻射于茶葉，并解決微波能輻射并非理想化絕對均勻的問題，我們在設(shè)計過程中，通過反復(fù)的實踐摸索，采用如圖3所示的方案， 即在微波輻射箱內(nèi)設(shè)計內(nèi)密封殺青室，這樣可以保證殺青后茶葉的色澤和品質(zhì)達(dá)到名優(yōu)茶的標(biāo)準(zhǔn)。

1、 箱體    2、復(fù)合材料密封裝置    3、茶葉    4、輸送帶

圖3

4.3物料出口散熱裝置

用微波加熱技術(shù)殺青、烘干后的茶葉表面溫度、濕度都較高，若不能迅速使加工完的茶葉降溫，除濕，就容易影響茶葉的色澤和品質(zhì)。為解決此問題，可在茶葉出口處配套設(shè)計吹風(fēng)散熱裝置，一可以將茶葉散熱除濕，二可以將茶葉中的一些老葉吹出去。

5結(jié)論

微波加熱技術(shù)目前是一種應(yīng)用范圍非常廣，技術(shù)相當(dāng)成熟的工業(yè)技術(shù)，而且用于工業(yè)微波的元器件質(zhì)量也相當(dāng)可靠，但將該項技術(shù)應(yīng)用于茶葉的殺青烘干時，對設(shè)備的研發(fā)設(shè)計制造必須在考慮微波本身特性、元器件特性基礎(chǔ)上，充分結(jié)合茶葉本身的物理、生物特性和加工工藝的要求，進(jìn)行有針對性的設(shè)計、實驗和實踐，方可達(dá)到優(yōu)于傳統(tǒng)方法的理想效果。

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