第３８卷第１期・学术 ＶＯ１．３８ ＮＯ．１ 湖南农机 ２０１ １年１月 ＨＵＮＡＮ ＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＡＬ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ Ｊａｎ．２Ｏ１ １ 茶叶微波杀青烘干机有关设计问题探讨 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 中图分类号：ｓ２２６．６ 文献标识码：Ａ ￣ｌ！Ｒｇ－：１００７—８３２０（２０１１）０１—０１１２—０３ Ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｅａ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｆｉｘｉｎｇ＆Ｄｒｙｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ’Ｓ ｄｅｓｉｇｎ ＣＨＥＮ Ｘｉ—ｂｉｎｇ，Ｌｌ Ｆｕ—ｔａｏ，ＹＡＮＧ Ｙｉ ，ｌｇ ｒ Ｙｕｅｙａｎｇ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｙｕｅｙａｎｇ，Ｈｕｎａｎ ４１４０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｉｃｒｏ ｗａｖｅ ｗｉｔｈ ａ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ ａｎｄ ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌ ｅｆｆｅｃｔｓ，ｒａｐｉｄ ｈｅａｔｉｎｇ ｔｏ ｔｅａ ｆｉｘｉｎｇ，ｄｒｙｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒｅｓｈ ｌｅａｖｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｃｔｉｖｉｔｙ，ｓｔｏｐ ｔｈｅ ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｅａ，ｆｕｌｌ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ，ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｓｔｕｒｃｔｕｒｅ ｂｙ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｃａｎ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｆｉｘａｔｉｏｎ，ｄｒｙｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｅｎｃｅ ｏｆ ａ ｌｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅａ ｑｕｅｓｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｅａ；ｍｉｃｒｏｗａｖｅ；ｆｉｘｉｎｇ＆ｄｒｙｉｎｇ；ｄｅｓｉｇｎ １ 茶叶微波杀青烘干机简介 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 用微波加热技术进行茶叶的杀青烘干实质上是微波发生 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 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，存在内、外温度差和湿、热传递方向相反的问题。 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 茶叶杀青后的含水率应为５８％ ６０％，干燥后的含水率 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 应为４％～６％，加工后的茶叶要求保持原味、原样、原色，基本 出而被蒸发掉，从而达到杀青、干燥的目的。微波加热技术杀 营养成份不散失、安全卫生，且制成的茶叶经开水泡开，其色 热介质 微波 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 ２ ２ 茶的原料大多是组织较老的叶片，不同季节所 ３ ３ 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 料 备的加热温度难以控制，在加工过程中，茶叶易 １一温度梯度方向；２一蒸汽（质量）迁移方向；３一热量传导方向 产生红梗、红叶，叶片焦黄、色泽不匀等现象，茶 图１常规加热与微波加热对比图 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， 收稿日期：２０１０—１２—２８ 作者简介：陈细兵（１９７６一），男，工程师，研究方向：农业机械研发 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、 与推广。 烘干工艺中所存在的一系列降低茶叶品质的问题。 第３８卷第１期 陈细兵，等：茶叶微波杀青烘干机有关设计问题的探讨 一 ２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： （１）被加工物料的体积及厚度。由于微波穿透物料的深度 ５３９×（０．７５—０．６）】＝７５ｋｃａｌ／ｍｉｎ 所需微波总功率Ｐ＝０．ＯＴＱ／ １ １１ ２………………（２） 其中： １为微波工作频率转换效率，一般为９０％； １１ ２一微波加热转换效率，一般为８０％。 将 １、ｑ ２代入式（２）得所需微波总功率： Ｐ＝０．０７×７５／０．９Ｘ 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 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 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。 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）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，但实际应用中究竞选用哪种频率，最 好通过实验确定。 （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９１ ５ＭＨｚ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１（卜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。 （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 ０＂２一Ｔ１）×１＋Ｃ（１一Ｗ，） （ ｒ２一Ｔ。）＋５３９（Ｗ 一ｗ２）ｌ………（１） Ｍ为每分钟处理鲜叶量，即生产率，以小机型０．５口／ｍｉｎ 为例； ｗ 为鲜叶初始含水率，平均为７５％； ｗ 为杀青后的最佳平均含水率６０％； Ｔ。＿为鲜叶加工前的初始温度，平均为２０％； Ｔ 为杀青应达到的最佳温度８０％； Ｃ为茶叶的比热１．６３。 将以上数据代人式（１），则可得： Ｑ＝ｏ．５×『０．７５×（８０—２０）×１＋１．６３×（１—０．７５）Ｘ（８０—２０）＋ 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。 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。 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。 防微波泄露性能好，设备制造成本相对较低。 ４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， ｌ１４ 湖南农机 的标准。 ４．３物料出口散热装置 ２０１ １年１月 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。 适当补充一定水份，可大大提高加工后成茶的品质。 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 ４．２内密青室 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，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 封 ［１】李笑光．农作物干燥与通风贮藏【Ｍ］．天津：天津科学出版社， １９８９． ［２】陈荣耀．工程热力学及传热学［Ｍ】．北京：中国农业出版社， ｌ９９２． ［３】应回新．微波加热与微波技术［Ｍ］．北京：国际工业出版社， １９８１． 【４】王绍林．微波加热技术在食品加工中应用［Ｊ］．食品科学， ２０００，（２）：６－９． 【５］潘根生．茶叶大全【Ｍ］北京：中国农业出版社，１９９４． 【６］龚淑英．茶叶品质的描述和部份评茶术语含义及应用【ＤＢ／ ＯＬ］．中国茶叶网．２００２． （上接第１０４页）基本相符。 从以上的计算可知，长距离ｌＯｋＶ配电网电缆线路的充电 并联电抗器可以补偿电缆线路的分布电容效应，能有效抑制 热备用电缆线路由于无功充电功率导致电缆两端的电压升 高，而且并联电抗器具有结构简单、造价低、维护方便等优点。 功率相当大，长时间运行的电缆线路每月吸入无功电量也非 常大。其最主要的原因是电缆线路单位长度电容是架空线路 ２Ｏ ３０倍，比架空线路高一个等级。因此，对备用电缆线路进 行无功补偿就显得十分必要。 并联电抗器的容量与电缆线路无功功率大小有关，一般 按照４０％～８０％的补偿度进行补偿。当然，在电网运行方式改 变，热备用电缆改接负载时需要将并联电抗器切除，避免额外 ４无功补偿 在交流电压的作用下，电网系统对运行中的备用电缆进 行容性无功充电，电缆距离越长、截面积越大，则容性无功功 增加电路上刚性负载，在实际工作应根据具体情况判断是否 需要增加并联电抗器。 ５结语 随着电缆馈线组的不断增加，１０ｋＶ配电网中的热备用电 率越大，这种无功功率在电缆不同负载水平时将产生不同的 通过精确 效果，在高负荷时，电缆充电容性无功功率能与负载设备产生 缆越来越多，其充电功率对电网的影响已引起重视，有效减少电网无功充电功率流动，避免 的感性无功功率相互抵消，能减少无功功率在电网中的流通， 的计算和适当的补偿，有利于提高电缆的载容量和改善电压水平，但在空载时，没有 负载设备，电缆充电容性无功功率使得电缆两端的电压升高， 间运行时，空载电缆每月需要从变电站中吸收大量的容性无 功电量。 社。２００４． 出现无功充电功率造成的电网损耗和设备损坏的现象。 参 考 文 摘 现代城市电网规划设计与建设改造【Ｍ】．北京：中国电力出版 也由于电网的传输作用，影响电网其他节点的电压水平。长时 【１］南毓俊．［２］王非．高压电缆对电网无功平衡的影响及应对措施【Ｍ】．北京：华北电 力技术，２００７． 参照长距离架空线路无功补偿的方式，对长距离电缆线 路的无功充电功率，可以通过就地并联电抗器进行无功补偿。 ［３］昊丹．配电线路电缆化对中压配电网影响分析【Ｊ】．供用电，２００８，（４）．
