茶叶烘干装备技术现状及发展趋势分析

闫建伟，刘启合，魏松，尹杰，牛素贞

（1.550025 贵州省 贵阳市 贵州大学 机械工程学院；2.550025 贵州省 贵阳市 贵州大学 茶叶工程技术研究中心；3.550025 贵州省 贵阳市 贵州大学 茶学院）

0 引言

我国是茶叶生产大国，茶叶产量、茶园种植面积、茶叶产业规模和茶叶出口量均居世界前列[1]，中国茶叶产业的不断发展是推动全球茶叶贸易增长的主要因素和动力[2]。

随着国内茶叶生产规模的扩大和人们对优质茶叶需求的不断增加,茶叶加工设备的发展对于茶产业发展起着重要作用。茶叶烘干机对茶叶质量和品质的提升有着重要影响，经过30 多年发展，我国茶叶烘干机已经基本实现机械化，目前较为广泛使用的是自动链板式茶叶烘干机。随着茶产业的不断发展和技术水平的提升，对茶叶烘干机的性能指标有了更高要求，对茶叶加工质量和品质都有了更高的追求。茶叶烘干机在结构、控制以及自动化程度上都需要改进。茶叶烘干机发展至今，在结构上变化并不大，仅仅是从热量利用率、提高烘干均匀性等方面进行改进，目前仍存在能源利用率不高、自动化程度低等问题有待进一步研究解决。本文从茶叶烘干设备分类和工作原理出发，对茶叶烘干机的现状和发展进行分析，旨在指出存在问题和技术改进的方向。

1 茶叶烘干设备分类和工作原理

1.1 按自动化程度分类

（1）手拉百叶式烘干机：由箱体、手柄、百叶板、鼓风机接口、出茶斗等组成，如图1 所示。热空气通过鼓风机吹入箱体内，自下而上流动，通过操作手柄转动百叶板，使茶叶自上而下地下落，与热空气流动方向相反，最后从出茶斗得到烘干后的茶叶。生产效率较抽屉式烘干箱有所提高，但对于工人的操作熟练度和经验有着很高要求，茶叶受热均匀度和含水量也无法保证，直接影响着茶叶的品质。

（2）半自动百叶式烘干机：结构上与手拉百叶式相似，均采用人工上茶叶，但可以自动出茶叶。机械传动采用传动链驱动装于链上的拨块，拨动连杆使百叶板定时自动旋转，减少了人工操作不当对茶叶品质的影响，但是茶叶干燥的均匀性较差。

（3）自动链板式烘干机：该机型的传统产品是浙茶513 型，存在漏茶以及生产效率低等缺点。20 世纪70 年代，当时的农业机械部牵头研制了6CH 系列茶叶烘干机[3]，该机型由干燥箱、传动装置、送风装置、热风炉和输送装置等构成，如图2所示。空气在热风炉内加热，由送风装置送入干燥箱，热量以对流方式传送给茶叶，达到干燥的目的。

1.2 按干燥方式分类

热风干燥：热风干燥是以空气导热为主，具有导热快、叶温上升平稳的特点。热风是干燥过程中的主要媒体，其温度、湿度和流速都较容易控制，能够以适宜的温度、湿度和均匀的流速和待干燥茶叶接触，满足茶叶干燥特性的要求，达到均匀干燥的目的。比较具有代表性的有百叶式烘干机和自动链板式烘干机。

金属传导干燥：热量主要是由铁锅传导，具有传热快的特点，但由于锅面温度高，使与之相接触的叶片叶温高，在不断的翻炒过程中，叶温是动态变化的，造成了受热不均匀、受热强弱不匀等问题，造成茶叶品质参差不齐，整体品质较低。比较具有代表性的机型是瓶式炒干机。

辐射干燥：辐射干燥是以红外线或者微波作为传热介质，来达到干燥的目的。

红外线干燥原理：茶叶吸收红外线后，引起内部分子间的快速摩擦和碰撞，从而产生热能以达到干燥茶叶的效果，具有快速、加热均匀的特点，但是红外线的穿透能力较差，影响茶叶的品质[4]。图3所示为一种远红外线茶叶烘干机的基本结构[5]。

该机设置远红外线加热板，结构简单，温度调整方便，节能高效，减少了茶叶加工中的损耗，便于市场推广和应用。

微波干燥原理：茶叶接收到微波干燥器发射的微波，茶叶内部的水分等极性分子随微波频率做相同频率的快速运动并产生摩擦热，导致茶叶内外表面同时升温，内部的水分子逸出而被蒸发，达到干燥的效果[6]。

目前使用较为普遍的茶叶烘干机都沿用6CH型自动链板式茶叶烘干机的基本结构，较早期的烘干机作了一些改进，能耗有了一定程度上降低，效率有了明显提升。

2 国内外烘干装备发展现状

2.1 国外现状

世界92%以上的茶叶产量来自中国、印度、日本、肯尼亚、孟加拉国等10 个国家[7]。国外早期的茶叶加工技术都直接或间接从我国传入，国外制茶历史虽然不长，但发展速度很快。目前，日本的茶叶产量虽然只排第9 位，但其茶叶加工机械水平却是最高的，基本实现高度自动化、连续化生产。日本产茶工艺大多采用蒸青煎茶，每道工序有相应设备，设备按工艺流程布置，能够随时间调整工作状态[8]。日本推出的利用电磁波杀青加工高档绿茶的方法，加工品质较高[9]；日本的蒸汽杀青装置可以实现封闭式杀青，在提升茶叶的色泽亮度的同时避免了人为导致的茶叶二次污染，保证了茶叶的清洁化生产[10]。印度是重要的茶叶生产、消费和出口国之一，茶叶种植水平高，主要以红茶为主，但是在技术水平上相对其他国家较落后，茶叶加工机械自动化程度低[11-12]。印度、斯里卡等主要产茶国目前所使用的茶叶烘干机是与戴维生和杰克生发明的烘干机结构基本相同的西罗柯烘干机[3]，使用火管式热风炉，特点是机型普遍较大，摊叶面积多达50 m2以上，仅热风炉就有一个房间大小，设有热风炉间（见图4）。

2.2 国内现状

国内茶叶机械起步较晚，与国外特别是日本存在很大差距。20 世纪50 年代以后，我国的茶叶机械化开始起步，随着科技的进步，茶叶机械行业迅速发展，适应并推动了茶产业发展的需求。初期主要以仿制为主，测绘和设计出了51 型茶叶烘干机等一批精制机械[3]，到1951 年6 月，包括烘干机在内的制茶机械达到了2 000 多台，广泛使用于当时的重点产茶区，开启了我国的茶叶烘干机的发展历程，奠定了良好基础。1965 年5 月，定名为CH513 型的茶叶烘干机完成试制并获得推广应用，和51 型茶叶烘干机相比，513 型机械结构优化和传动结构改善取得显著进展，效率更高。到20 世纪70 年代，由于我国茶叶生产发展迅速，国内仅有的CH513 型烘干机已经满足不了需求，开始了手拉百叶式茶叶烘干机的研发，在其后相继研发了半自动手拉式茶叶烘干机、6CH-10 型和16 型等中、小型自动链板式茶叶烘干机以及6CH-20 型和50 型等大、中型自动链板式烘干机。

经过不断发展，茶叶烘干机在结构、控制方式、加热方式和热能利用等方面都有了很大的提高。

2.2.1 结构方面

目前市面上各类茶机新的结构型式层出不穷，有链条烘板式、网带式、流化床式、抽屉式、百叶式和滚筒式等结构[13]，远远超出了茶叶机械标准规定的型式范围。

一般的链式茶叶烘干机烘干后直接从出料口输出茶叶，再通过人工对茶叶碎末进行筛选，不仅可能会对茶叶造成二次污染，还可能导致对茶叶的损伤，影响茶叶的品质。针对这一问题，王兴华、蒋勋[14]等人研制了一种自动烘干和自动筛分一体的链式茶叶烘干机，增加了抖动装置，实现了料槽的震动筛选，可达到茶沫过滤60%左右，减少了茶叶的损伤和二次污染，大大降低了损耗率。邱益民[15]提出了一种茶叶烘焙机预加热结构，设置有转筒和连接管，转筒可对预加热的茶叶进行翻转，提高了茶叶的加热均匀性，加热箱内多余的热量再通过连接管传到套筒内，实现热量的回收利用，提高了热量的利用率。袁国强[16]提出了一种便于上料的茶叶烘焙机，通过连接杆和滑块的设计，改善了现有的茶叶烘焙机不便于上料的问题。传统的烘焙机械所提供的烘焙环境主要有2 种，一种是直接裸露在环境中进行烘焙，另一种是在烘箱中密封烘焙，前者由于直接裸露在环境中，导致茶叶的烘焙均匀性较差，后者由于密封，在空气不对流的情况下会导致茶叶的品质下降，对此，谢文月[17]提出了一种空气循环结构的茶叶烘焙设备，设置对流栅孔，利用热空气上升的原理，大大提升烘焙质量。

为了保证茶叶烘干的均匀性，一般都会采取翻炒或搅拌的方式，烘干的茶叶较脆，易产生碎渣，如果茶渣没有得到及时处理，对成茶品质会有很大影响，所以在茶叶烘干过程加上除渣工艺很有必要。李震[18]等人结合机电系统设计一体化设计方法，设计了一种高效的自动除渣系统，即在立体筒式烘干机的基础上通过在主烘干筒体外部连接风力抽取循流装置[19]，通过风力筛选将茶渣和完整的茶叶分离，达到除渣的效果。通过加设回风管和导流管，实现热风的回收利用，提高了烘干效率，在回风管内部加设有除湿板，可高效除去热气中的水蒸气，防止湿气回流。

2.2.2 控制方面

茶叶烘干机在控制方面的改革创新甚少，从开始的人工操作开关控制到现在的计算机控制、单片机控制，技术方面还处于初步发展阶段，尚未完全成熟，距离自动化、智能化还有很长的一段路要走。传统的人工控制具有劳动强度大、能源利用率低下、温度控制效果不理想等缺点，严重影响了茶叶的品质。利用计算机实现对茶叶烘干各个环节的控制，控制精度明显高于人工，可以实时监控烘叶含水率及风温变化情况,及时予以相应调整[20]，对于茶叶品质的提升有着重要的意义。

集散控制系统（DCS）是集合了计算机、CRT等多种技术的一种计算机智能控制系统[21]，可实现连续性控制和逻辑顺序控制等功能，具有信息化和集成化的多种优点，既可以执行生产，又可以对生产过程进行实时监控。

数据采集与监控系统（SCADA）是结合了自动化和通信技术的一种动态软件，具有采集工艺参数及设备信号的功能，可以完成对生产加工过程的实时监控。SCADA 分为上位机系统和下位机系统，上位机系统主要负责加工过程的管理，即对软件的控制；下位机系统则负责烘干现场的控制，完成茶叶烘干的过程，即对硬件的控制。上位机系统和下位机系统主要是通过网络连接实现信息的互通[6]，如表1 所示。

表1 SCADA 系统的结构Tab.1 Structure of SCADA system

基于DCS 技术设计的SCADA 监控系统能够实时监控烘干工艺过程、设备状态，并记录烘干过程历史信息。系统主要包括：输入模块、监控模块、输出模块。首先，通过PID 模糊控制算法对烘干工艺参数（温度、湿度和时间）进行控制，再通过模糊算法完成烘干时间的控制[22]，工作性能比较稳定，能够充分保证茶叶的烘干质量和品质，很大程度上提高了茶叶的烘干效率。

DMC（动态矩阵控制）算法相比PID 算法具有较好的动态响应和鲁棒性，但抗干扰能力较差。

针对在茶叶烘干时具有迟滞、大惯性和非线性的特点，李兵[23]等人设计了一种基于DMC-PID串级控制的烘干机，采用多层隧道式，加热元件为电加热远红外辐射板。烘干机和各层输送带线速度可调，采用上加热方式，而且每块辐射板温度独立可调，实现变温烘培，不仅提高了温度的控制精度，而且减小了最大超调量。参见图5。

乌兰等人[24]通过对粒子群算法（PSO）进行混沌处理，得出了一种改进粒子群算法（IPSO）,然后通过IPSO 对模糊PID 控制器的参数进行优化，IPSO 优化模糊PID 控制时温度变化幅度小，控制效果最佳，响应速度更快，达到稳态时间短，解决了粒子群算法易早熟、寻优效率低以及PID 参数无法实时在线调整的缺点。

在其他领域，崔京华[25]针对晶体退火炉只能通过辐射传热，并不能通过对流或者传导的方式来实现传热的特点提出了一种基于单片机控制的温度智能控制系统，高效控制和解决了退火炉炉膛温度中存在的响应速度慢、温度分布不均匀、较大超调量以及工件温度滞后严重等问题。这一技术可用在基于辐射传热的茶叶烘干机械上，对于提升茶叶的品质有着积极的促进作用。

2.2.3 加热方式

茶叶烘干机主要是以空气为媒介，传统烘干机的烘焙方式有炭灶烘焙、煤火烘焙、液化汽烘焙等[26]，主要是通过炉灶直接加热空气，热空气对待烘干茶叶进行脱水烘干，热风风干虽然结构较简单，但是效果不理想，受热不均匀，存在小规模化、有毒物质残留、成本高等不利因素。近些年来，在加热方式上，也提出了很多不同于传统的加热方式。

利用电热丝伸进烘干箱内部[27]，通过电热丝对烘干箱内部进行烘干，相比传统的明火加热，加热效果更好，受热更均匀。利用远红外线辐射板[28]均匀分布于箱体的内壁表面，均匀地对箱体内的茶叶进行烘干。远红外线加热属于辐射加热，不会对环境造成污染，而且电热石英管安全系数高，对人体伤害小。茶叶内外表面分子同时吸收辐射能，产生自发热效应，受热较均匀，有利于减少污染和资源的浪费，提高了茶叶的烘干品质。肖颖谦[29]提出了一种太阳能热风装置。利用太阳能加热空气，提供热风作为烘干热源，节省了大量电能，节能减排效果显著，并降低了烘干成本。在加热仓内设置远红外电加热器，辅助电加热，从而快速提高热空气的温度，满足烘干工艺温度要求。参见图6。

宁大海[30]等提出了一种滚筒式微波加热烘干机，利用了微波对极性分子加热的特点，直接作用于待烘干茶叶上，由内到外进行加热烘干，提升了烘干效率，缩短了烘干的时间。与传统的加热方式相比，微波具有加热效率高、惯性小等特点，可实现温度的快速升降控制，但也存在加热的均匀性问题，范志鹏[31]等提出一种基于双端口的提高加热均匀性的双频微波加热模型，使用915 MHz 的电磁波和2 450 MHz 的电磁波同时对物质进行加热，通过2 个端口和2 个微波频率的使用，提高了加热的均匀性。将双端口加热的技术应用于茶叶加热烘干中，对于提高茶叶烘干的均匀性具有重要意义。

2.2.4 能源利用

茶叶烘干机在烘干后排放的废气中含有大量余热，如果不能充分回收利用这些余热，不仅造成了资源浪费、室内环境污染，而且还会使烘培效率降低。如何利用好废气余热，对于节约资源、节约制茶成本和能耗都有着重要意义。

在回收废气余热方面也进行了很多研究，如利用管壳式热管交换器[32]进行热量的回收利用，将烘干机的废气进行回收，对送入热风炉的冷空气进行加热升温处理，从而提高了热风炉中冷空气的初始加热温度，对于节约能源、降低制茶的成本和提高烘干效率起到了重要的作用。管壳式热管交换器是一种壳体内设置有许多平行管子的热交换装置，其结构如图7 所示。

热泵作为一种清洁能源技术，利用从空气中吸收来的热能可以为烘干机提供热量，这一技术可用于烘干机的热量回收上，对于节能有着重要的意义。利用热泵干燥技术和其他干燥技术相结合的方式可以实现节能的效果，关志强[33]等研究了罗非鱼片热泵-微波联合干燥工艺；王教领[34]等对微波热泵联合干燥机作了试验研究，发现热泵-微波联合干燥时间比热泵干燥时间缩短了2/3。联合干燥技术利用了各干燥技术的优点，将各种干燥技术的优势互补，从而有效地避免了单一干燥所具有的劣势。将联合干燥技术应用于茶叶烘干，对于节能和茶叶品质的提升有着重要的意义。

3 问题

（1）烘干的均匀性及茶渣的处理。在烘干过程中，为了保证茶叶的烘干均匀性，常常需要利用翻转或搅拌的方式，而烘干后的茶叶较脆，在外力的作用下易破碎从而产生碎渣，如果碎渣没有得到及时的处理或者没有处理，对于成茶的品质会有很大的影响。目前有很多对于茶渣的处理方式，有烘干后统一人工处理的方式，有增设抖动机构进行茶渣的筛选，还有利用风的筛选功能进行茶渣的收集等，这些方式有一定的积极效果，但并未真正做到筛选干净，而且人工筛选带来的劳动力增强、成本等这些问题也是要纳入考虑的。怎么样提高除渣效率还有待进一步在结构上进行优化和创新；

（2）热能的利用率。相比于传统机械，热能的利用率虽有了一定的提升，但仍有很大的提升空间，利用回流管对废气进行二次利用在一定程度上节省了能源，但其中仍有很大一部分热量未能充分利用，包括二次排放和与空气对流损失的热量。保温效果更好的材料的应用以及在结构上的优化是我们目前所需要考虑的；

（3）温度的线性化控制。成茶品质很大一部分取决于温度控制的精确度，在茶叶的烘干过程中，温度并不是一成不变的，而是一个线性变化的过程，不同的过程所需的最适温度不同，目前应用于茶叶烘干过程的控制方式有很多，最常见的有人工控制、单片机控制等技术。人工控制具有劳动强度大、能源利用率低下、温度控制效果不理想等缺点，控制精确度较低；单片机控制的精度明显高于人工，控制效果较好，但仍存在问题，如控制超调量的大小、响度速度的快慢、达到稳态时间的长短等问题仍有待优化和创新。

4 建议

（1）引入保温效果更好的新型材料。有助于节省能源，提高烘干效率。

（2）重视基础研究。在基础结构上的优化创新，对于推动整个行业的进步有着积极的作用。

（3）积极借鉴其他领域的先进技术。将其他领域的先进技术应用到茶叶烘干领域，对于茶叶领域的进步和创新会有着很大的推动作用。

（4）推动技术融合。技术融合能够互补各项技术的缺陷，做到智能集于一体，真正做到智能化、集成化。

5 结语

茶叶烘干机经过了长期的发展，从传统的竹制烘笼、手拉百叶式、半自动百叶式到自动链板式，烘干机无论在结构优化、控制、加热方式以及热能利用等方面都有了极大的性能提升。目前很多烘干机都是在自动链板式烘干机的基础上进行优化，生产效率高，而且茶叶的烘干质量和品质受人工因素的影响较小。但在自动化程度、控制、热能利用等方面都有待进一步的优化和创新，连续化、信息化、智能化仍然是待努力和重点研究的方向，对于提高茶品质的质量以及茶产业设备技术的水平都有着重要的意义，将会为我国甚至世界的茶产业发展做出重大贡献。