茶葉微波殺青烘干機的設計知識

1前言

用微波加熱技術進行茶葉的殺青烘干實質上是微波發生器直接或間接地將微波輻射到茶葉表面并穿透其內部，使茶葉內部在瞬間產生摩擦熱，導致茶葉表面及內部同時升溫，且茶葉內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掉，從而達到殺青、干燥的目的。微波加熱技術殺青干燥茶葉的特點是加熱時間短、內、外溫度基本一致，其熱傳遞方向從內向外且與濕傳遞方向一致；而常規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傳遞到茶葉內部，存在內、外溫度差和濕、熱傳遞方向相反的問題。

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

1—溫度梯度方向   ２—蒸汽（質量）遷移方向  ３—熱量傳導方向

圖1

茶葉殺青后的含水率應為58—60%，干燥后的含水率應為4—6%，加工后的茶葉要求保持原味、原樣、原色，基本營養成份不散失、安全衛生，且制成的茶葉經開水泡開，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所產的茶葉其生理結構就會有所不同，組織的含水率和細嫩程度不同，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，不同季節所產鮮葉，其殺青干燥的工藝要求不同，這就給殺青、烘干的設備及技術帶來了一定難度。目前茶葉的炒青工藝和熱風干燥工藝隨意性較大，設備的加熱溫度難以控制，在加工過程中，茶葉易產生紅梗、紅葉，葉片焦黃、色澤不勻等現象，茶葉品質難以保證。微波具有穿透性及非熱效應，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，針對茶葉的生物和物理特性，充分利用微波的基本特性，通過對設備結構的合理優化設計，可以較好地解決傳統殺青、烘干工藝中所存在的一系列降低茶葉品質的問題。

2茶葉微波殺青烘干機主要參數的選擇與確定

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備工作頻率時應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及介質損耗有關，因此當物料在915MHZ和2450MHZ兩種工作頻率下介電常數及介質損耗相差不大時，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損耗。一般來說，被加工物料的含水量越大，其介質損耗也越大。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損耗相應也會越大，對于含水量低的物料，選用2450MHZ的微波工作頻率比較恰當，但實際應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。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，或采用價格較高的速調管，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 設備的體積。一般來說，2450MHZ頻率的磁控管及其波導均比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主要用于中、高檔名優綠茶的加工，茶葉加工企業生產名優茶的產量均較低，盡管鮮葉含水量較高但茶葉葉片較薄，設計時綜合考慮以上幾個方面的因素和設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達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，即生產率，以小機型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——殺青應達到的最佳溫度80℃

C——茶葉的比熱1.63

  將以上數據代入式（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——微波工作頻率轉換效率，一般為90%

            η2—微波加熱轉換效率，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

根據以上計算，結合目前國內所產工作頻率為2450MHZ磁控管的規格、型號及參數情況，考慮到保證加熱均勻等因素，當要達到處理鮮葉生產率為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加熱器結構型式的選定

微波加熱技術是比較成熟的技術，用微波對物料進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、數量及加工要求。例如當物料需流水線連續生產時，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；對于小批量生產或實驗室取樣試驗物料，一般可以采用單個小型諧振腔式加熱器；對于薄片物料，根據待加工物品的不同可以選擇不同型式的加熱器，如采用慢波結構的加熱器。在設計茶葉微波殺青烘干設備時，根據各微波加熱器的特點，綜合考慮茶葉本身的生物、物理特性及設備加工、操作、維護等方面的一些相關因素， 采用連續多諧振腔式微波加熱器作為基本設計機型較合適，實踐證明具有明顯的優點。

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，微波功率大小在設定的范圍內可按需調節。

3.2可簡化整機設計，板塊型式，組合安裝，加工、運輸、維修方便；用戶使用既可小批量生產，又可進行連續性大批量生產。

3.3防微波泄露性能好，設備制造成本相對較低。

4滿足茶葉微波殺青設備最佳工藝效果有關配套裝置設計

在進行茶葉微波殺青烘干加工試驗中，我們發現不同季節，同一季節不同天氣情況下采摘的茶葉在相同的機具下加工，殺青、烘干的效果有比較大的差異，其原因是春、夏、秋茶生長季節雨水量的多少不同，鮮葉老嫩程度不同所造成的。主要表現為：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計和使用，能取得非常理想的效果。

4.1超霧化補液裝置

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，在鮮葉進料口處配置一套超霧化補液裝置，當被加工的茶葉含水率較低，且較老時，適當補充一定水份，可大大提高加工后成茶的品質。 

1、超霧化室   2、超霧化噴頭   3、補液輸送管   4、補液泵  5、液體箱

圖 2

4.2內密封殺青室

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，我們在設計過程中，通過反復的實踐摸索，采用如圖3所示的方案， 即在微波輻射箱內設計內密封殺青室，這樣可以保證殺青后茶葉的色澤和品質達到名優茶的標準。

1、 箱體    2、復合材料密封裝置    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。為解決此問題，可在茶葉出口處配套設計吹風散熱裝置，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結論

微波加熱技術目前是一種應用范圍非常廣，技術相當成熟的工業技術，而且用于工業微波的元器件質量也相當可靠，但將該項技術應用于茶葉的殺青烘干時，對設備的研發設計制造必須在考慮微波本身特性、元器件特性基礎上，充分結合茶葉本身的物理、生物特性和加工工藝的要求，進行有針對性的設計、實驗和實踐，方可達到優于傳統方法的理想效果。

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