红茶一体化全自动发酵机的设计

陈加友

（福建省安溪茶业职业技术学校，福建安溪 362400）

红茶一体化全自动发酵机的设计

陈加友

（福建省安溪茶业职业技术学校，福建安溪 362400）

针对目前红茶发酵设备与发酵工艺结合不紧密而造成的发酵温湿度不稳定、翻拌难、缺氧、品质适度不统一等问题，设计了全新的工夫红茶一体化全自动发酵机。对发酵结构、翻动装置和加热等关键部件进行了设计，确定了发酵机的总体设计方案和关键参数值。所设计的全自动发酵机能够很好的满足优质红茶的发酵工艺技术要求，并且具有结构简单、操作方便等突出优点，可进行广泛的推广和应用。

工夫红茶；发酵机；设计

1　引言

红茶的各种机械化生产已经较为普遍，发酵是形成其品质特征的关键工序。传统红茶发酵方法设备简易，设备成本低，受外界环境因素影响大，一般采取人工加温及加湿气来达到发酵的目的，这种人工操作的发酵方式发酵时间长，效率低，发酵均匀度相对不好掌控，严重影响茶叶品质。而采用单机箱式发酵设备进行发酵虽然可以达到自动控制温度和湿度，但是自动化程度相对仍然比较低，上料、出料均靠人工操作，单机箱式发酵设备产量也不高，工作效率相对较低［1］。针对上述问题，设计红茶一体化全自动发酵机对于提高红茶品质和促进红茶生产自动化程度都有重要意义。

2　整机结构及工作原理

2.1整机结构

红茶自动发酵机由发酵房和电加热蒸汽发生装置、超声波雾化装置、茶叶提升机、正反输送机、输送装置、控制装置等组成，具体结构如图1所示。其中发酵房包含传动装置、进料门、主体框架、传动链条、支撑网带、拨料刷子、传动电机，发酵场所环境控制装置、排湿风机、排气口、雾气管、蒸汽管以及随智能化控制柜。

图1　全自动发酵机结构示意图

2.2工作原理

红茶发酵的三要素：温度、相对湿度和充足的氧气［2］。生产时一般要求温度控制在23～29℃，发酵环境相对湿度设定在95%以上，同时应保持发酵室内空气流通以提供充足的氧气。红茶自动发酵机的设计就是在充分考虑以上三要素的基础上［3］，配置加温、加湿设备和进出气口。针对目前红茶发酵设备与发酵工艺结合不紧密而造成的发酵温湿度不稳定、难翻拌、缺氧、品质适度不统一等问题，设计了这种工夫红茶自动化发酵机，对发酵结构、翻动装置和加热等装置进行了设计，设备中各电器元件的工作状态全部由智能化控制柜中的PLC控制系统控制，实现自动上料、出料，自动控制发酵时间和湿温度，并自动供氧排氧，达到快速发酵目的，保证茶叶发酵均匀性，提高红茶发酵品质。

3　关键部件设计

3.1发酵房

发酵房设有两个进料口和两个出料口。两个进料口设于发酵房的顶部，两个出料口分别设于发酵房的前侧壁的下方和后侧壁的下方。茶叶提升机的出料端延伸至正反输送机的上方，茶叶提升机将茶叶从地面传送至正反输送机内。料槽的两端分别设有一个出料孔，料槽两端的出料孔分别对接有一匀堆装置。匀堆装置与控制装置连接。匀堆装置包括进料槽、匀叶器和可传输茶叶的输送带，输送带和匀叶器装设于进料槽内，匀叶器连接有驱动电机，匀叶器可上下调整高度，输送带可调整松紧程度。进料槽的尾端设有出叶口，两个匀堆装置的出叶口分别对接发酵房的两个进料口。

发酵房顶部设有进风口和排风口，排风口上有气动排风装置，该气动排风装置包括排风扇、气缸、联动杆和气门，排风扇置于该排风口内，气门可绕轴旋转地置于排风口的顶部，联动杆的一端与气门固定连接，联动杆的另一端与气缸活动连接，气缸与控制装置连接。控制装置还连接有两个用于检测茶叶是否铺满网带输送装置的红外传感装置，两个红外传感装置设于两组网带输送装置的第三网带输送机的出料端。

发酵房顶部设有八个进风口，八个进风口上分别装设有进风装置，进风装置与控制装置连接，每个进风口安装一个进风扇。发酵房顶部设有两个排风口，两个排风口上分别设有气动排风装置，该气动排风装置包括排风扇、气缸、联动杆和气门，排风扇置于该排风口内，气门可绕轴旋转地置于排风口的顶部，联动杆的一端与气门固定连接，联动杆的另一端与气缸活动连接，该气缸与控制装置连接。设有八个进风口，可使发酵房内部各角落的温湿度更均匀；安装两个气动排风装置，当气门打开，排风扇会自动工作，并根据设定好的时间进行换氧，且每隔一定时间换一次氧，保证茶叶发酵过程不会因为缺氧影响品质。

3.2蒸汽发生装置

电加热蒸汽发生装置包括电加热蒸汽发生器和进气管，进气管设有复数个出气孔，进气管置于发酵房内的底部。

3.3超声波雾化装置

超声波雾化装置用于增加发酵房内湿度，该超声波雾化装置与控制装置连接，超声波雾化装置连接有进雾管，进雾管上设有复数个进雾孔，进雾管设于发酵房内的顶部。

超声波雾化装置连接有进雾管，超声波雾化装置根据现有技术条件进行选型，其含有超声波雾化器和风扇，超声波雾化装置可产生冷雾，该进雾管上设有复数个进雾孔，进雾管设于发酵房内的顶部。电加热蒸汽发生装置包括电加热蒸汽发生器和进气管，进气管设有复数个出气孔，该进气管设于发酵房内的底部。电加热蒸汽发生装置产生的热蒸汽可控制该自动发酵机组内部的温度，超声波雾化装置产生的冷雾主要控制自动发酵机组内部的湿度，把热蒸汽和冷雾综合在一起，达到平衡作用，达到温度和湿度稳定的控制效果，温度和湿度可根据不同茶叶来进行调节。

3.4正反输送机

正反输送机可正向传输茶叶和可反向传输茶叶。正反输送机包括第一料槽、输送带和用于驱动送带的电机，输送带装设于料槽内，料槽下是三层式发酵架，可实现不同批次进料。正反输送机两端的出料孔分别对接匀堆装置，匀堆装置与控制装置连接，匀堆装置包括进料槽、匀叶器和可传输茶叶的输送带，输送带和匀叶器装设于进料槽内，匀叶器连接有驱动电机，进料槽的尾端设有出叶口，两个匀堆装置的出叶口分别与发酵房的两个进料口相连。

3.5输送装置

输送装置包括两组网带输送装置，两组网带输送装置分别置于发酵房内的前后两侧。每组网带输送装置包括三台网带输送机，三台网带输送机包括第一网带输送机、第二网带输送机和第三网带输送机，该第一网带输送机的进料端与对应的进料口相连，第一网带输送机置于发酵房内的上方。第二网带输送机装置于第一网带输送机的下方，第二网带输送机的进料端伸出第一网带输送机的出料端，第二网带输送机的进料端承接第一网带输送机的出料端落下的茶叶。第三网带输送机装置于第二网带输送机的下方，第三网带输送机的进料端伸出第二网带输送机的出料端，第三网带输送机的进料端承接第二网带输送机的出料端落下的茶叶。

3.6红外传感装置

控制装置还连接有两个用于检测茶叶是否铺满网带输送装置的红外传感装置，两个红外传感装置置于两组网带输送装置的第三网带输送机的出料端。红外传感装置检测到第三网带输送机的出料端铺满茶叶后，即向控制装置发出信号，控制装置停止该组网带输送装置运作。控制装置还连接有用于检测发酵房内温度和湿度的传感器。控制装置设有显示面板，显示面板可显示发酵房内的温度、湿度等参数。

4　设计内容

红茶一体化自动发酵机有效利用传动原理、支撑预算，并采用PLC控制原理对传动部件、发酵场所控制部件、监测部件进行实时控制、反馈和调整，实现红茶加工全程自动化。

4.1采用部件结构

红茶一体化全自动发酵机三维机构如图2所示，整机包括发酵提升机、发酵分组跑车、发酵匀料平输、发酵房、发酵出料输送机、超声波雾化器和电加热蒸汽机、智能化控制柜，包含各个部件、设备之间的电缆等七大部分组成。

图2　红茶一体化全自动发酵机三维结构图

4.2设计说明分析

4.2.1发酵提升机

发酵提升机采用PVC材质输送皮带、滚筒带动、皮带支撑板、不锈钢折板锁胶条拦边、不锈钢折板挡边、调节茶叶量的调速拨料器等设计。发酵提升机整体设计有效的将茶叶有序从地面位置提升到较高工作位置，避免了茶叶落料、卡停现象。

4.2.2发酵分组跑车

发酵分组跑车采用PVC材质输送皮带、滚筒带动、皮带支撑板、不锈钢折板锁胶条拦边、输送机安装上滚轮、移动电机，移动电机的正反转、皮带电机的正反转加上多个限位开关组成了行程可控的发酵分组跑车，将承接发酵提升机的茶叶进行分组作业。

4.2.3发酵匀料平输

发酵匀料平输采用PVC材质输送皮带、滚筒带动、皮带支撑板、不锈钢折板锁胶条拦边、调节茶叶量的调速拨料器，组成了发酵匀料平输，将承接发酵分组跑车的茶叶进行匀料作业，确保的发酵茶叶厚度的一致性。

4.2.4发酵房

发酵房外板采用的防湿、防腐蚀的蜗封板、不锈钢u槽拼装，要求各位位置不能漏水，内部结构见以下分析。

4.2.5发酵出料输送机

发酵出料输送机采用PVC材质输送皮带、滚筒带动、皮带支撑板、不锈钢折板锁胶条拦边，组成了发酵出料输送机，将承接发酵房中已经发酵完成茶叶的出料作业。

4.2.6发酵场所环境控制装置

发酵场所环境控制装置，超声波雾化器和电加热蒸汽机分别接上雾气管，其中雾气管进行等分位置的开孔处理和蒸汽管，其中蒸汽管进行等分位置的开孔处理，配合排湿风机和排气口，组成了发酵场所环境控制装置，控制发酵房中的温度、湿度，保证着茶叶的有氧发酵。

4.2.7传动装置

传动装置由进料门、主体框架、传动链条、支撑网带、拨料刷子、传动电机组成，输送发酵匀料平输的茶叶。装置进行茶叶布料，支撑网带末端安有的多位置物料传感器，当检测到茶叶时传动装置预采取停止指令，发酵提升机投料停止工作，已布置的茶叶进行发酵作业。

4.3试验结果分析

设备采用以发酵空间（4m×2.4m×2.4m）进行综合分析，以设备工作1个小时为例，耗水量。辅助配件热电偶、温度测试仪、压力监控原件、PLC控制系统等。

原来水量：M原来=20kg；

空间容积：V空间=4m×2.4m×2.4m=23.04m2；

水蒸气密度：ρ=0.4kg/m3（在标准气压、35℃条件下）；

发酵完地板管收集冷凝水质量：M凝=7.8kg；

桶内水剩余：M余=2.07kg

悬浮于发酵环境中的水蒸气质量

M=M原来-M凝-M余=20kg-9.3kg-2.07kg=8.63kg

悬浮于发酵环境中的水蒸气体积

V=M/ρ=8.63kg/0.4kg/m3=21.56 m3

发酵环境中水蒸气比例

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

试验结果得到发酵环境中，水蒸气在温度35℃的比例为93.6%，符合茶叶的发酵环境。

5　结　论

工夫红茶一体化全自动发酵机自动化程度较高，可实现自动上料、出料。采用多层次网带输送茶叶，增加发酵机的发酵产量，提高工作效率。可自动控制发酵时间和温湿度，且能自动供氧排氧，塑造良好的发酵环境，从而达到快速发酵目的，保证茶叶发酵均匀性，提高红茶发酵品质，能够很好的满足优质红茶的发酵工艺技术要求，并且该红茶发酵机具有结构简单、操作方便等突出优点，可进行广泛的推广和应用。

［1］权启爱.条形红茶加工设备及其使用技术［J］.中国茶叶，2011，33 （6）：10-12.

［2］方世辉，王先锋，汪惜生.不同发酵温度和程度对工夫红茶品质的影响［J］.中国茶叶加工，2004（2）：19-21.

［3］林国轩，刘玉芳，郭春雨.我国工夫红茶发酵适度时间监控的研究进展［J］.大众科技，2012（6）：125-127.

国家“十二五”科技支撑计划项目（2014BAD06B06）“智能化节能茶叶采摘与加工关键技术装备研制”、福建省科技重大专项项目（2015N3004）资助。

陈加友，硕士学位，高级讲师，维修电工高级技师、集美大学客座教授、校外硕士生导师，主要从事机电和茶叶的教育教学工作。