节能型茶叶烘焙机开发及节能分析

陈加友，陈为晶，江进福

（1.黎明职业大学 智能工程学院，福建 泉州 362000；2.福建省计量科学研究院 福建省能源计量重点实验室，福建 福州 350003；3.福建佳友茶叶机械智能科技有限公司，福建 泉州 362411）

茶产业作为福建省特色优势产业，在“一带一路”倡议中属于传统优势特色外向型产业[1].2021年福建省茶叶产量达48.79 万t，同比增长5.7%，全产业链产值超1 400亿元，茶叶产量、出口额增速、茶树良种普及率等多项指标位居全国第一[2].相关研究表明：在干燥过程中，平均每千克茶叶需要消耗11 700～13 600 kJ热量，烘焙机的热效率约为57.6%.如果干燥过程的能量利用率提高10%，每千克茶叶可节约标准煤0.05 kg，按福建省2021年的茶叶产量估算，每年可节约标准煤约24 395 t[3].如果按全国的茶叶产量估算，节能量非常可观.2021年，中国向全世界庄严承诺将实现“3060”双碳目标，中国碳减排力度远远大于欧美等发达国家.在传统的茶叶加工工艺中，烘焙、炒制、烘干等都是能耗较高的工序[4].传统茶叶相关机械的制造厂家为满足生产工艺要求，盲目加大热功耗设计，造成制茶设备能耗普遍偏高.现有的传统茶叶烘焙机多采用电热风烘焙，因内部流场和温度场分布不均匀，普遍存在烘焙质量差、耗能较高、热能利用率低等突出问题[5-6].

文中以传统茶叶烘焙机为分析对象，结合风循环、余热回收和辅助热源的应用，开发节能型茶叶烘焙机，通过理论分析及试验研究，提高茶叶烘焙机节能率，从而为茶叶烘焙节能提供技术支持.

1 节能型茶叶烘焙机的节能原理

1.1 传统茶叶烘焙机的节能潜力分析

目前，市场上常见的传统型烘焙机的风循环为“U”字形，即干空气由上部经引风机进入烘焙机，经电热棒加热后的干空气，向下流经烘焙工作区域后，经过与茶叶的能量与质量交换后转变为湿空气，湿空气在进风与排风压差的作用下排出烘焙工作区域，然后再向上排出茶叶烘焙机.传统茶叶烘焙机结构及风循环如图1所示.

图1 传统茶叶烘焙机结构及风循环

从上述风循环可以看出：传统型茶叶烘焙机工作时，烘焙机工作区域的顶部会聚集大量的湿热空气，然后再由压差的作用流向排风通道.这样不仅造成较大的流动阻力，增加风机的工作负荷，而且是造成烘焙机工作区域内温度和风环境分布不均匀的主要原因.因此，有效利用烘焙前后热空气的密度差不仅能降低系统内的压降，降低循环风机的功率，而且还有助于茶叶中水分的及时排出.

1.2 节能型茶叶烘焙机的节能方案

综合考虑传统型茶叶烘焙机的风循环、余热回收利用和辅助热源等相关原理，创新性地设计研发一种节能型茶叶烘焙机，如图2所示.

图2 节能型茶叶烘焙机的实物图

节能型茶叶烘焙机具体节能优化方案及创新性如下.

1）风循环方式.为充分利用烘焙前后新风和排潮风的密度差，节能型茶叶烘焙机采用下进风、上排风的方案，进风口采用底部四角切向进风，顶部排风的风循环方式可有效降低烘焙机内部的压降，减少循环风机的工作功率，以达到降低茶叶烘焙机能耗的目的.改进后的茶叶烘焙机结构及风循环示意图如图3所示.将茶叶烘焙机内的工作区域由传统长方形结构改为圆柱形结构，从而在烘焙机的工作区域内营造出螺旋向上的循环风.

图3 节能型茶叶烘焙机的结构及风循环示意图

伯努利方程如下

式中：h1、h2为烘焙机内的任一截面高度（h1=h2），m；p1、p2为处于该截面中心和烘焙机圆柱壁面处的空气压力，Pa；v1、v2为处该截面中心和烘焙机圆柱壁面处的空气流速，m·s-1.

对于同一高度截面h1=h2，切向进风使得靠近圆柱壁面处的循环风速较大，即流速越大，压力越小，而托盘中部的流速小，压力就越大.由此，在茶叶托盘内外压差的作用下，可有效将托盘中部的湿热空气引流至托盘外，然后在密度差的作用下流向上部的排风口.

2）余热回收.传统茶叶烘焙机的排湿风直接排入大气，实际操作中考虑到烘焙过程中排湿量相对较少，而且烘焙后期茶叶含水率稳定阶段排湿风中的含水率较低，因此通过控制烘焙生产工艺，排湿风将具备较好的余热回收价值.在经过生产工艺的优化后，为提高能源利用效率，在节能型茶叶烘焙机顶部布置温度、湿度检测传感器，实时监测排潮风的温度和含湿量.当温度和湿度达到生产工艺设定值时，关闭排风口并将排潮风引流到循环风机的入口，减少排气的热量损失，同时降低电加热棒的功率，从而降低烘焙机的能耗.

3）辅助热源.远红外加热技术是一种可实现高效加热的干燥技术.相比电加热，它具有加热效率高、加热质量好、节能等明显优点[7].远红外加热技术在茶叶干燥过程中起着非常重要的作用，它不仅能提高茶叶本身的感官质量，而且具有较强的干燥效率和良好的连续性，为茶叶初加工过程中的节能降碳奠定基础.因此，烘焙后期，在余热回收系统的参与下，为稳定烘焙工作区域内的温度，系统采用远红外辅助热源替代电加热棒，直接对烘焙工作区域进行保温，从而减少因风循环而造成的能量损耗和烘焙机的散热损失.

2 节能型茶叶烘焙机的理论节能率分析

为便于对比分析，文中选择茶叶烘焙机（福建佳友，JY-6CHZ），总功率P传统型为12.575 kW，其中电加热元件总功率P加热为12 kW，循环风机功率P风机为0.55 kW，烘盘托架回转驱动电机功率P电机为0.025 kW.节能型茶叶烘焙机的总功率P节能型为10.75 kW，其中加热元件总功率P加热为9 kW，循环风机功率P风机为0.55 kW，远红外辅热热源功率P红外为1.2 kW，辅助热源工作时间为传统茶叶烘焙机工作时间的一半.

经实测，在茶叶质量相同情况下，分别采用传统型和节能型茶叶烘焙机进行烘干处理，所消耗的时间大致相同，且烘干水量也基本相同.因此，在烘焙时间、烘干水量相同的情况下，可估算得到理论节能率，其计算式为

式中：η理论表示节能型茶叶烘焙机相比传统同规格烘焙机的理论节能率，%；t1、t2分别为传统型和节能型茶叶烘焙机的烘焙时间，设定时间相同（即t1=t2），min.

将参数代入公式（2），得出η理论=19.3%.

3 茶叶烘焙机节能试验

3.1 试验系统

茶叶烘焙机的测试系统边界示意图如图4所示.该系统的输入部分包括电力输入和含水率较高的初烘茶叶两个部分，输出部分包括热空气和含水率较低的烘干茶叶.

图4 茶叶烘焙机的测试系统边界示意图

3.2 试验方法

烘焙机的节能试验项目包括输入电量和初烘茶叶、烘干茶叶质量等.试验项目及试验中使用仪器信息见表1.

表1 茶叶烘焙机的测试项目、方法及测点位置

试验对象（烘焙机）采用三相四线制，先将三相四线电能表接线安装好，然后打开电源开关，将无茶叶烘焙机温度设置为100 ℃.打开启动开关，当温度升至100 ℃下时，称取5.0 kg 初烘茶叶放入烘焙机中，记录电量数据.然后，保持烘焙机在100 ℃运行1 h，关闭电源开关，再记录电量数据.最后，取出烘干茶叶进行称量，记录烘干茶叶质量.

3.3 试验数据分析

分别对两台相同规格型号的传统型和节能型茶叶烘焙机进行3 次试验.记录3 组数据并取平均值，数据详情见表2.

表2 试验数据处理表

3.4 试验结果

将初烘茶叶质量减去烘干茶叶质量，得到烘干水量，将耗电量除以烘干水量即可计算出烘焙机的电耗率.节能率计算式为

式中：η实际为节能型茶叶烘焙机相比传统同规格的烘焙机的实际节能率，%；e传统型、e节能型分别为传统型和节能型茶叶烘焙机电耗率，kW·h·kg-1.

试验结果数据，如表3所示.

表3 试验结果数据

将试验数据带入式（3），计算出η实际=28.0%，节能型茶叶烘焙机的电耗率较传统型下降了28.0%，即节能率为28.0%，较理论节能率（19.3%）有所提高，主要原因是理论分析中设定烘干水量是相同的，而实际测试中烘干水量不完全相同；此外，当温度和湿度达到设定值时，节能型茶叶烘焙机自动关闭排风口，减少排气热量损失，实际节能率较理论值有所提高.

4 结语

文中分析了传统茶叶烘焙机的不足，创新性地通过改变结构优化风循环方式、增加余热回收装置和远红外加热辅助热源等方式设计开发了节能型茶叶烘焙机，并详细介绍了节能型茶叶烘焙机的节能方案.对相同规格型号的传统型和节能型茶叶烘焙机进行能耗测试，测试结果显示，改进后的节能型茶叶烘焙机相比传统同规格的烘焙机节能28.0%.表明文中所开发的节能型茶叶烘焙机设计方案真实有效，对于相关烘干设备的节能改进具有借鉴意义.